EP4651625A2 - Induktionsheizvorrichtung, system, produktionslinie, verfahren und verwendung - Google Patents

Induktionsheizvorrichtung, system, produktionslinie, verfahren und verwendung

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Publication number
EP4651625A2
EP4651625A2 EP25203149.7A EP25203149A EP4651625A2 EP 4651625 A2 EP4651625 A2 EP 4651625A2 EP 25203149 A EP25203149 A EP 25203149A EP 4651625 A2 EP4651625 A2 EP 4651625A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
induction heating
heating device
inverter
power supply
resonant circuits
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP25203149.7A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP4651625A3 (de
Inventor
Wolfgang Lenz
Thomas Daube
Markus LANGEJÜRGEN
Ingo Schuster
Christian Vogt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Group GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SMS Group GmbH filed Critical SMS Group GmbH
Publication of EP4651625A2 publication Critical patent/EP4651625A2/de
Publication of EP4651625A3 publication Critical patent/EP4651625A3/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B6/04—Sources of current
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/101—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H05B6/40—Establishing desired heat distribution, e.g. to heat particular parts of workpieces
    • H—ELECTRICITY
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    • 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
    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H05B6/44—Coil arrangements having more than one coil or coil segment

Definitions

  • the invention relates to an induction heating device, a system, a production line, a method and a use.
  • Production lines for the manufacture and/or processing of semi-finished products, intermediate products, and/or finished products made of ferrous, steel, and/or non-ferrous metal materials consist of several devices in which the intermediate product, pre-product, and/or finished product is subjected to one or more process steps.
  • These devices can include, for example, heating or cooling devices, transport devices, forming devices, cleaning devices, chemical treatment devices, surface coating devices, cutting or joining devices, and combinations thereof.
  • the process steps can include, for example, temperature raising or lowering, transport, forming, cleaning, chemical treatment, surface coating, cutting or joining, and combinations thereof.
  • Induction heating devices can be used for this purpose, among other methods. can be used at various points within the production line.
  • an inductor In induction heating using an induction heating device, an inductor is excited to oscillate, particularly in the medium frequency range. It is known to integrate this inductor into a so-called resonant circuit with the aid of an additional capacitor. This resonant circuit is excited by an inverter, for example, by switching on voltage pulses near the resonant frequency of the circuit using a bridge circuit, half-bridge circuit, or a single switch.
  • a mains voltage for example a single-phase or multi-phase alternating voltage
  • the DC voltage is fed to an inverter, which excites the inductor.
  • the invention is based on the objective of providing an improvement or an alternative to the prior art.
  • An “induction heating device” is understood to be a device designed for the inductive heating of a metallic object using electrical energy.
  • the induction device comprising at least one "resonant circuit,” generates a current from at least one coil.
  • the magnetic alternating field induced in the metallic material creates an electrical voltage. If the metallic material is in contact with this field, the magnetic field induces an electric voltage in the material, leading to an electric current, specifically an alternating current.
  • This current always flows in closed paths, can therefore also be called an eddy current, and, according to Joule losses, causes the metallic material to heat up.
  • heating also occurs due to remagnetization losses until the Curie temperature is reached, at which point the ferromagnetic and ferroelectric properties of the metallic material disappear completely.
  • An induction heating device offers the advantage of achieving direct heating of the metallic material, since the heat is generated within the metallic material itself and does not need to be introduced from the outside via conduction, convection and/or radiation through the surface of the metallic material.
  • a "metallic good” means any product containing an electrically conductive ferrous material, a steel material, and/or a non-ferrous metal material.
  • a metallic good can be understood to be any semi-finished product, any intermediate product, any intermediate product, or any finished product that is electrically conductive.
  • a coil of an induction heating device may have less than one full turn, one full turn and/or more than one full turn, in particular more than or equal to two turns, more than or equal to three turns or more than or equal to four turns.
  • An effective connection between a metallic material and an alternating magnetic field can be established through longitudinal field induction and/or This is caused by transverse field induction.
  • longitudinal field induction the magnetic field lines run essentially in the longitudinal direction of the metallic material.
  • transverse field induction the magnetic field lines in the metallic material run essentially in a transverse direction, particularly in the thickness direction and/or in the width direction. If the metallic material is a sheet, the magnetic field lines in transverse field induction can enter and exit the sheet essentially in the thickness direction.
  • a “power supply device” is understood to be a device designed to provide electrical energy for the operation of at least one resonant circuit, in particular with an electric current of suitable current intensity, suitable voltage, and/or suitable frequency.
  • a power supply device may be configured to provide electrical energy for a plurality of resonant circuits, in particular for at least two, three, four, five, six, or more resonant circuits.
  • An energy supply device can be designed to condition and provide electrical energy for the resonant circuit for the efficient operation of a resonant circuit, in particular with the optimal frequency and/or the optimal phase angle to the phase angle of the resonant circuit.
  • An energy supply device may be designed to prevent or reduce any adverse effects on an electrical power supply caused by the operation of a resonant circuit.
  • a power supply device is designed for connection to an electrical power supply.
  • An electrical power supply can be understood to be a three-phase power grid.
  • An electrical power supply can be an alternating current (AC) supply or a direct current (DC) supply.
  • a power supply can have medium voltage or high voltage.
  • High voltage can be greater than or equal to 36 kV, preferably greater than or equal to 60 kV, and particularly preferably greater than or equal to 100 kV. Furthermore, high voltage can be greater than or equal to 150 kV, preferably greater than or equal to 200 kV, and particularly preferably greater than or equal to 300 kV. High voltage can be less than or equal to 400 kV. Furthermore, high voltage can be less than or equal to 300 kV, preferably less than or equal to 200 kV, and particularly preferably less than or equal to 150 kV.
  • Medium voltage can be greater than or equal to 1 kV AC or greater than or equal to 1.5 kV DC, preferably greater than or equal to 2 kV and particularly preferably greater than or equal to 10 kV.
  • Medium voltage can be greater than or equal to 15 kV, preferably greater than or equal to 20 kV and particularly preferably greater than or equal to 30 kV.
  • Medium voltage can be less than or equal to 36 kV.
  • medium voltage can be less than or equal to 30 kV, preferably less than or equal to 20 kV and particularly preferably less than or equal to 15 kV.
  • the voltage levels can be defined according to IEC 60519-4.
  • a “disconnect switch” is a switching element designed to close or de-energize an electrical circuit, particularly for service and/or maintenance work. or operational interruptions.
  • a disconnect switch can be designed as a circuit breaker for high currents.
  • the power supply device includes a single-phase disconnect switch or a three-phase disconnect switch.
  • the disconnect switches proposed here ensure that the power supply device can be switched off without voltage.
  • a disconnect switch connects the power supply unit to earth potential in the open position. This increases safety against electric shocks.
  • An “inverter” is a power electronic device or electrical circuit designed to convert direct current (DC) into alternating current (AC). The resulting AC frequency depends on the inverter's switching algorithm.
  • An inverter circuit can be controlled by applying a pulse width modulation algorithm.
  • the inverter can be designed for the operation of a specific resonant circuit.
  • a “switching device” is understood to be an assembly designed to switch an electrically conductive connection by means of a switch, i.e., an electrically conductive To establish or break a connection between at least two contacts.
  • a switching device can be designed to switch an alternating current.
  • the switching device can accordingly be arranged between an inverter and at least one resonant circuit.
  • a switching device can be configured to switch a direct current.
  • the switching device can be arranged between a rectifier or a smoothing circuit or a DC power supply and at least one resonant circuit.
  • a switching device has a plurality of switching options between a power source, preferably an AC or DC source, and at least two loads, preferably three, four, five or more loads, in particular resonant circuits and/or inverters.
  • the switching device can be configured to disconnect or establish exactly one connection between a power source and exactly one of the loads, or to switch to another load.
  • the switching device can be configured to disconnect or establish or switch two, three, four or more connections between exactly one power source and two, three, four or more of the loads, in particular to switch them in pairs.
  • a switching device can be configured to include a plurality of power sources, wherein each power source can be connected, disconnected, or switched with exactly one or more loads.
  • the switching device is configured such that less than one connection can be made between a load and at least two power sources simultaneously.
  • a power supply device for an induction heating device comprising a disconnect switch, at least two inverters, and a switching device, wherein the disconnect switch is configured for connecting the power supply device to an electrical power supply, wherein an inverter is configured for converting a direct current into an alternating current for powering a resonant circuit, wherein the switching device is configured to enable at least indirect energy coupling between the disconnect switch and a plurality of resonant circuits, and wherein the number of simultaneously energy-coupling resonant circuits is smaller than the number of resonant circuits that can be at least indirectly connected to the switching device.
  • the power supply unit allows at least one component to be used alternately and/or intermittently for a number of resonant circuits, although the majority of these circuits cannot be operated simultaneously.
  • certain components of the power supply unit, particularly the disconnect switch are installed only as often as necessary for the practical simultaneous operation of the installed/installable resonant circuits, while the resonant circuits can be installed at any point in a production line where heating may be required.
  • an induction heating device which has a power supply device as described above and at least two resonant circuits.
  • Power supply systems account for a large portion of the investment costs of an induction heating device.
  • the power supply system proposed here can reduce the investment costs of an induction heating device, particularly for devices with spatially distributed resonant circuits.
  • resonant circuits in a production line are operated simultaneously.
  • resonant circuits are primarily operated depending on the product being manufactured.
  • a production line might have a total of six resonant circuits, but in any case, only a maximum of three are operated at the same time. If each induction heating device includes all components of a power supply unit, the associated investment costs are incurred in full.
  • Modern production lines typically need to be able to flexibly adapt to a wide range of metallic products, each with its own specific temperature requirements during the various process steps. Depending on the product, the products manufactured before and after it, the current energy price mix, and other factors, the most efficient operating mode for the production line may require the use of resonant circuits at different locations within the line.
  • the energy supply system proposed here can improve the flexibility of the production line, reduce reaction time during product changeovers, and increase the energy efficiency of the production line in various operating modes or with metallic components. Goods that allow this can be improved and the structural length of a production line can be shortened.
  • a disconnect switch is provided for connecting the induction heating device to a DC power supply.
  • the disconnect switch of the power supply device be designed to be connected to a DC power supply, preferably a DC power supply having a medium voltage or a low voltage.
  • the inverters of the power supply unit can be designed so that they can be indirectly connected to the DC power supply, preferably by being supplied with a medium-voltage DC voltage or a low-voltage DC voltage.
  • Low voltage can be greater than or equal to 120 V, preferably greater than or equal to 220 V, and particularly preferably greater than or equal to 240 V. Low voltage can be less than or equal to 1,000 V, and particularly preferably less than or equal to 900 V. Low voltage can be less than or equal to 600 V, preferably less than or equal to 240 V, and particularly preferably less than or equal to 220 V.
  • the disconnect switch is provided for connecting the induction heating device to an AC power supply, wherein the power supply device between the disconnect switch and the at least one inverter has at least one rectifier, in particular two, three, four, five, six or more rectifiers, for converting an alternating current into a direct current to supply power to the at least one inverter.
  • a “rectifier” is an electrical device that converts alternating current, which periodically changes direction, into direct current.
  • a rectifier can be a three-phase rectifier.
  • the rectifier can be designed to be supplied with medium voltage or low voltage.
  • a rectifier can have a topology that includes and/or consists of diodes.
  • a three-phase rectifier can be an uncontrolled n-times 6-pulse diode rectifier, in particular a 6-pulse diode rectifier, a 12-pulse diode rectifier, an 18-pulse diode rectifier, and so on.
  • a rectifier can be advantageously controlled or regulated. This can make it possible to ensure that the power supply equipment, in order to comply with the requirements of a power supplier, is connected to a static reactive power compensator.
  • the power supply unit expediently includes a transformer between the disconnect switch and at least one rectifier.
  • a “transformer” is a component that transfers electrical energy from one circuit to another without a conductive connection between the two circuits.
  • the transformer converts alternating current (AC) to converts a primary current of the transformer into an alternating current on a secondary side of the transformer.
  • a transformer can be a three-phase transformer.
  • the transformer can be a high-voltage to medium-voltage transformer, which converts a high voltage on a primary side of the transformer into a medium voltage on a secondary side of the transformer.
  • the transformer can be a high-voltage to low-voltage transformer, which converts a high voltage on a primary side of the transformer into a low voltage on a secondary side of the transformer.
  • the transformer can be a medium-voltage to low-voltage transformer, which converts a medium voltage on a primary side of the transformer into a low voltage on a secondary side of the transformer.
  • the disconnect switch can be designed as a medium-voltage switchgear.
  • a “medium-voltage switchgear” is understood to be a central arrangement of power disconnectors and/or fuses and/or circuit breakers that serve to protect and/or control and/or ground the power supply equipment.
  • the at least one inverter and/or the at least one rectifier are configured for medium-voltage operation.
  • the at least one rectifier and/or the at least an inverter designed for supplying medium voltage are configured for medium-voltage operation.
  • the power supply device has a smoothing circuit between the disconnect switch and the at least one inverter, in particular between the at least one rectifier and the at least one inverter.
  • a rectifier can be connected to a "smoothing circuit" which is designed to smooth out the ripple voltage.
  • the smoothing circuit can include a capacitor connected in parallel to a rectifier circuit.
  • the smoothing circuit can include an inductor connected in series with a rectifier circuit.
  • a rectifier and an inverter can be energetically coupled to each other using DC busbars.
  • the power supply device has a connection between the disconnect switch and the at least one inverter, in particular between the at least one rectifier and at least one inverter, a direct current converter.
  • a "direct current converter” is a power electronic device or electrical circuit designed to convert a direct current (DC) applied to the input of the DC converter with a voltage applied to the input into a direct current at the output of the DC converter with a higher, lower or inverted voltage level.
  • DC direct current
  • a DC/DC converter placed between a rectifier and an inverter, allows the voltage level between the rectifier and the inverter to be changed. In this way, a medium-voltage rectifier can be combined with a low-voltage inverter, thereby improving the overall efficiency of the power supply device.
  • the switching device proposed here is arranged between a rectifier or a disconnect switch and at least two inverters, so that the switching device is designed to switch in the area of direct current transmission.
  • the components of the power supply unit installed between the electrical power supply of the induction heating device and the switching device can be installed separately for each supplied resonant circuit. Instead, it is sufficient if the number of components installed upstream of the switching device is only one, with each component simply needing to be adapted to the maximum electrical power simultaneously available from the induction heating device. Since it is intended that at least one fewer resonant circuit of the induction heating device can be operated than the total number of resonant circuits in the induction heating device, the rated power of the components up to the switching device can also be dimensioned accordingly smaller compared to the sum of the rated powers of all installed resonant circuits, in particular the rated power of the disconnect switch and/or the transformer and/or the rectifier.
  • the rated electrical power available from the power supply unit can also be provided by a plurality of individual components. This can be achieved, in particular by connecting components in parallel. For example, multiple transformers and/or multiple rectifiers can be connected in parallel upstream of the switching device without deviating from the aspect proposed here.
  • the parallel-connected components can be designed such that each can provide a portion of the required rated electrical power.
  • an induction heating device can have at least one less rectifier and/or transformer and/or disconnect switch than resonant circuits.
  • the device can be designed such that, of the majority of the resonant circuits connected to the individual switching device, up to exactly one resonant circuit can be simultaneously energy-coupled with the DC connection of the switching device.
  • the majority of the resonant circuits connected to the switching device can be operated alternately and/or intermittently.
  • the switching device is designed in such a way that an energy coupling can be established between the DC connection of the switching device and a group of inverters, in particular an energy coupling between the DC connection of the switching device and a subset of the group of inverters, whereby it is also provided that at least one fewer resonant circuit can be operated simultaneously compared to the total number of resonant circuits installed. It can be provided that one switching connection can be changed alternately or intermittently, or that...
  • Multiple switching connections can be changed simultaneously in an alternating and/or intermittent manner; in particular, it can also be provided that a pair of resonant circuits can be switched simultaneously, especially that a first pair of resonant circuits can be switched simultaneously with a second pair of resonant circuits.
  • a first pair of resonant circuits located in a front area of a production line can be operated alternately or intermittently to a second pair of resonant circuits located in a rear area of the production line.
  • the switching device proposed here is arranged between an inverter and at least two resonant circuits, so that the switching device is designed to switch in the area of alternating current transmission.
  • This approach advantageously eliminates the need for separate components of the power supply system for each powered resonant circuit. Instead, they can be implemented once and/or according to the requirements of the resonant circuits.
  • the system should be dimensioned to provide the maximum simultaneously available rated power, whereby parallel connections of individual components are also conceivable to achieve the necessary rated power.
  • an induction heating device can have at least one fewer rectifier, inverter, transformer, and/or disconnect switch than resonant circuits. Furthermore, the induction heating device can be dimensioned with respect to the rated power supplied by the power supply unit such that this power is less than the sum of the rated powers of the resonant circuits comprised of the induction heating device.
  • an induction heating device can also have a plurality of switching devices.
  • the induction heating device can have at least two switching devices between at least one disconnect switch and each of a plurality of at least indirectly connected inverters, wherein the plurality of switching devices can also be connected in parallel to each other and can be connected to exactly one disconnect switch and/or exactly one transformer and/or exactly one rectifier.
  • the induction heating device can have at least two switching devices between at least one inverter and each of a plurality of at least indirectly connected resonant circuits with preferably identical electrical properties, wherein the plurality of switching devices can also be connected in parallel to each other and can be connected to exactly one inverter and/or exactly one transformer and/or exactly one rectifier.
  • the induction heating device can have one or more switching devices between at least one disconnect switch and at least one plurality of inverters, as well as one or more switching devices between at least one inverter and at least one plurality of resonant circuits.
  • the induction heating device is designed to be mechanically movable and/or at least partially mechanically movable.
  • the term "mechanically movable" means that the unit in question, in particular the induction heating device or the power supply unit, is detachably connected to the surface on which it is designed to stand, the unit has lifting devices for attaching the unit to a crane or the like, and/or the unit is supplied with electricity and/or operating fluids, in particular coolant, by means of detachable connecting devices.
  • the lifting slings enable the induction heating device to be moved as needed by a crane, forklift, and/or other dedicated transport equipment.
  • a single resonant circuit can be designed to be movable, so that it can be used alternately at different positions of a production line.
  • the power supply device is designed to be mechanically movable and/or at least partially mechanically movable.
  • a part of a power supply device can in particular be a component of the power electronics of a power supply device, especially a transformer, a rectifier, a DC converter, an inverter and/or a smoothing circuit.
  • a resonant circuit is designed for longitudinal field induction and/or transverse field induction.
  • a resonant circuit designed for "longitudinal field induction” can have a coil which encloses at least one edge of the metallic material, preferably at least two edges and particularly preferably four edges.
  • a resonant circuit designed for longitudinal field induction has several turns of the coil wound transversely to the designated longitudinal extent of the metallic material, preferably at least two turns, preferably at least three turns and particularly preferably at least four turns, wherein the majority of the turns are preferably arranged compactly next to each other, wherein the shortest distance between two adjacent turns is preferably smaller than a transverse extent of a turn.
  • a resonant circuit designed for "cross-field induction” has a coil which extends predominantly in a plane, preferably in a meandering shape in a plane, wherein the coil preferably does not enclose any edge of the metallic material.
  • a resonant circuit designed for "cross-field induction” comprises a first coil and a second coil, each extending predominantly in a plane, preferably each extending in a meandering pattern in a plane, wherein the coils preferably do not enclose any edge of the metallic material.
  • the respective planes of extension can be arranged parallel to each other.
  • the respective coils can be arranged symmetrically to each other.
  • the metallic material to be heated is passed between the coils, preferably in the plane of the mirror image.
  • a coil arrangement of this type consisting of a first coil extending essentially in one plane and a second coil extending in a mirror-symmetrical manner, can also be used for longitudinal field induction if each coil forms a separate resonant circuit and the resonant circuits are operated in opposite directions, i.e., have a phase angle of the respective operating currents of preferably 180 degrees.
  • a resonant circuit designed for transverse field induction and a resonant circuit designed for longitudinal field induction can be operated on at least partially identical power supply equipment, thereby reducing the investment costs of a production line.
  • the disconnect switch, rectifier, and smoothing circuit can be used equally and without modification for both a resonant circuit designed for transverse field induction and a resonant circuit designed for longitudinal field induction.
  • the inverter of the power supply unit can also be the same, although a different operating mode may be selected and/or a different control and/or regulation signal may be used for the inverter, in particular a different pulse width modulation signal.
  • a busbar between an inverter and a resonant circuit can be cooled with a liquid coolant, in particular water, wherein the coolant is preferably located within the busbar and further preferably guided by the busbar.
  • a busbar can be cooled, among other things, by forced convection.
  • a busbar can be cooled with a gaseous coolant, in particular with air or a different gas mixture. This allows the busbar to be cooled by forced convection and/or free convection.
  • the problem is solved by a system comprising a plurality of induction heating devices according to the first aspect of the invention.
  • the problem is solved by a production line for the manufacture and/or processing of a metallic good, in particular a semi-finished product and/or a pre-product and/or an intermediate product and/or a product made of ferrous, steel and/or a non-ferrous metal material, comprising an induction heating device according to the first aspect of the invention and/or a system according to the second aspect of the invention.
  • a production line can be a hot rolling mill, especially with a hot or warming insert, and/or a strip mill.
  • the problem is solved by a method for operating an induction heating device according to the first aspect of the invention, wherein at least two resonant circuits are operated alternately and/or intermittently at different points in a production line.
  • the problem is solved by using an induction heating device according to the first aspect of the invention for the manufacture and/or processing of a metallic good, in particular a semi-finished product and/or a pre-product and/or an intermediate product and/or a product made of ferrous, steel and/or a non-ferrous metal material.
  • a system 500 comprising a plurality of induction heating devices 100, in particular comprising seven induction heating devices 100, according to the prior art in Figure 1
  • the device for heating a metallic good essentially consists of a plurality of independent induction heating devices 100, which have less than a direct functional connection between each other.
  • an induction heating device 100 consists of a power supply unit 20 and a resonant circuit 10, wherein the power supply unit 20 has at least an inverter 28 and a disconnect switch 22.
  • Each induction heating device 100 has at least one disconnect switch 22, exactly one inverter 28 and exactly one resonant circuit 10, wherein the resonant circuit 10 is configured to generate a magnetic field for heating the metallic material (not shown).
  • the disconnect switch 22 is designed to connect the induction heating device 100 to an electrical power supply (not shown).
  • the inverter 28 is designed to convert a direct current into an alternating current to supply energy to the resonant circuit 10 and is connected to the resonant circuit 10 by means of an alternating current transmission 29.
  • the electrical power supply (not shown) can be a DC transmission network, in particular a medium-voltage DC transmission network.
  • the inverter 28 can be connected to the electrical power supply directly via the disconnect switch 22 or indirectly via a DC transformer (not shown) and the disconnect switch 22 by means of a DC transmission line 27.
  • the electrical power supply can be an alternating current supply, in particular a three-phase alternating current network.
  • the power supply device 20 has a rectifier 26, which is connected to the inverter directly and/or via a DC transmission 27 and/or via a DC-DC converter (not shown). 28 can be connected.
  • the power supply unit 20 can include a transformer 24.
  • the electrical power supply (not shown) can be, among other things, a high-voltage power supply or a medium-voltage power supply, whereby a transformer 24 can be configured to convert the high voltage into a medium voltage or a low voltage, or to convert the medium voltage into a low voltage.
  • the majority of the induction heating devices 100 in the system 500 can be arranged in a production line (not designated/not shown) for the manufacture/processing of a metallic good, in particular a semi-finished product and/or a preliminary product and/or an intermediate product and/or a product made of ferrous, steel and/or a non-ferrous metal material, which, in addition to the induction heating devices 100, can also include treatment devices 40 for treating the metallic good (not shown) and wherein the metallic good (not shown) can be conveyed through the production line (not designated/not shown) in a preferred direction of movement 42.
  • a production line not designated/not shown
  • different positions within the production line are conceivable for the respective resonant circuits 10.
  • a system 500 comprising a plurality of induction heating devices 100, in particular comprising three induction heating devices 100, in Figure 2 a plurality of switching devices 30, in particular a number of switching devices 30 corresponding to the number of induction devices 100, in particular three switching devices 30, wherein the system has six resonant circuits 10 for heating a metallic good (not shown).
  • the system 500 comprising a plurality of induction heating devices 100, also comprises a plurality of power supply devices 20, in particular a number of power supply devices 20 corresponding to the number of induction devices 100, in particular three power supply devices 20.
  • the switching devices 30 are each arranged in the area of the alternating current transmission 29 of the induction heating device 100.
  • Each power supply device 20 has at least one disconnect switch 22 and at least one inverter 28, each inverter 28 being indirectly connected via a switching device 30 to at least two resonant circuits 10.
  • a power supply device 20 may also include a transformer 24 and/or a rectifier 26, wherein a rectifier may be directly connected to an inverter 28 by means of a DC transmission 27 and/or a DC converter (not shown).
  • Each switching device 30 has at least two switches 32 which make a connection state between an inverter 28 and each resonant circuit 10 adjustable.
  • the induction heating device 100 proposed here has a switching device 30 within the power supply unit 20, which allows a plurality of resonant circuits to be supplied and/or operated alternately or intermittently, or, if the resonant circuits 10 are electrically configured identically, simultaneously, by a common power supply unit 20. This enables a reduction in the necessary investment costs compared to the prior art.
  • the number of resonant circuits 10 to which electrical energy can be supplied alternately and/or intermittently or simultaneously by the power supply unit 20 can be greater than the number of power supply units 20 by the induction heating device 100 proposed here.
  • a system 500 comprising a plurality of induction heating devices 100, in particular comprising three induction heating devices 100, in Figure 3 also has a plurality of switching devices 30, in particular a number of switching devices 30 corresponding to the number of induction devices 100, in particular three switching devices 30, wherein the system has seven resonant circuits 10 for heating a metallic material (not shown).
  • the switching devices 30 are arranged here in the area of the direct current transmission 27.
  • each resonant circuit 10 is connected to an inverter 28 by means of an AC transmission 29. This advantageously allows each individual resonant circuit 10 to be individually controlled and/or regulated via its individually assigned inverter 28.
  • the number of resonant circuits 10, to which electrical energy can be supplied alternately and/or intermittently or simultaneously by the power supply unit 20 and which corresponds to the number of inverters 28, can be greater than the number of rectifiers 26 and the number of disconnectors 22 and/or transformers 24.
  • a first induction heating device 100 is designed such that two resonant circuits 10 are arranged at the front end of a production line (not shown) and at the rear end of the production line. It is considered, among other things, that the resonant circuits 10 located at the front end can be operated in pairs, alternating or intermittently with the resonant circuits 10 located at the rear end.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung zur Erwärmung eines metallischen Gutes, aufweisend eine Anzahl von zumindest zwei Schwingkreisen zur Erzeugung je eines Magnetfeldes zur Erwärmung des metallischen Gutes, und eine Energieversorgungseinrichtung zur Versorgung der Schwingkreise mit elektrischer Energie aufweisend einen Trennschalter zum Anschluss der Induktionsheizvorrichtung an eine elektrische Stromversorgung, und zumindest einen Wechselrichter zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom zur Energieversorgung eines Schwingkreises, wobei die Energieversorgungseinrichtung eine Schaltvorrichtung aufweist, wobei die Schaltvorrichtung dazu eingerichtet ist, eine zumindest mittelbare Energiekopplung zwischen dem Trennschalter und den Schwingkreisen zu ermöglichen, wobei eine Anzahl gleichzeitig energiekoppelbarer Schwingkreise kleiner ist als die Anzahl der Schwingkreise der Induktionsheizvorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung, ein System, eine Produktionslinie, ein Verfahren und eine Verwendung.
  • Produktionslinien zur Herstellung und/oder Verarbeitung von Halbzeugen und/oder Vorprodukten und/oder Zwischenprodukten und/oder Produkten aus Eisen-, Stahl- und/oder Nichteisenmetall-Werkstoffen bestehen aus mehreren Vorrichtungen, in denen das Vorprodukt und/oder das Zwischenprodukt und/oder das Produkt jeweils einem oder mehreren Verfahrensschritten unterzogen wird. Die Vorrichtungen können beispielsweise Beheizungs- oder Kühlvorrichtungen, Transportvorrichtungen, Vorrichtungen zur Formgebung, Reinigungsvorrichtungen, chemische Behandlungsvorrichtungen, Oberflächenbeschichtungsvorrichtungen, Trenn- oder Fügevorrichtungen sowie Kombinationen hieraus sein. Die Verfahrensschritte können beispielsweise die Temperaturerhöhung oder Temperaturverringerung, der Transport, die Umformung, die Reinigung, die chemische Behandlung, die Beschichtung der Oberfläche, Trennen oder Fügen sowie Kombinationen hieraus sein.
  • Die Erhöhung der Temperatur des Vorprodukts und/oder des Zwischenprodukts und/oder des Produkts ist für viele Verfahrensschritte vorausgesetzt und stellt einen wesentlichen Verfahrensschritt dar. Hierzu können unter anderem Induktionsheizvorrichtungen eingesetzt werden. Diese Induktionsheizvorrichtungen können an verschiedenen Stellen innerhalb der Produktionslinie eingesetzt werden.
  • Bei der Induktionserwärmung mittels einer Induktionsheizvorrichtung wird ein Induktor zu Schwingungen angeregt, insbesondere im Mittelfrequenzbereich. Bekannt ist es, diesen Induktor mit Hilfe einer zusätzlichen Kapazität in einen sogenannten Schwingkreis einzugliedern, der von einem Wechselrichter angeregt wird, zum Beispiel durch Zuschalten von Spannungspulsen in der Nähe der Resonanzfrequenz des Schwingkreises mittels einer Brückenschaltung, Halbbrückenschaltung oder mittels eines einzelnen Schalters.
  • Üblicherweise wird dazu zunächst eine Netzspannung, zum Beispiel eine Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselspannung, gleichgerichtet, geglättet und die Gleichspannung einem Wechselrichter zugeführt, der den Induktor anregt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Stand der Technik eine Verbesserung oder eine Alternative zur Verfügung zu stellen.
  • Nach einem ersten Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe eine Induktionsheizvorrichtung zur Erwärmung eines metallischen Gutes, insbesondere eines Halbzeugs und/oder eines Vorprodukts und/oder eines Zwischenprodukts und/oder eines Produkts aus Eisen-, Stahl- und/oder einem Nichteisenmetall-Werkstoff, aufweisend:
    • eine Anzahl von zumindest zwei Schwingkreisen, insbesondere drei, vier, fünf, sechs oder mehr Schwingkreise, zur Erzeugung je eines Magnetfeldes zur Erwärmung des metallischen Gutes, und
    • eine Energieversorgungseinrichtung zur Versorgung der Schwingkreise mit elektrischer Energie aufweisend:
      • einen Trennschalter zum Anschluss der Induktionsheizvorrichtung an eine elektrische Stromversorgung, und
      • zumindest einen Wechselrichter, insbesondere zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Wechselrichter, zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom zur Energieversorgung eines Schwingkreises,
    wobei die Energieversorgungseinrichtung eine Schaltvorrichtung aufweist, wobei die Schaltvorrichtung dazu eingerichtet ist, eine zumindest mittelbare Energiekopplung zwischen dem Trennschalter und den Schwingkreisen zu ermöglichen, wobei eine Anzahl gleichzeitig energiekoppelbarer Schwingkreise kleiner ist als die Anzahl der Schwingkreise der Induktionsheizvorrichtung.
  • Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:
    Zunächst sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie "ein", "zwei" usw. im Regelfall als "mindestens"-Angaben zu verstehen sein sollen, also als "mindestens ein...", "mindestens zwei ..." usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur "genau ein ...", "genau zwei ..." usw. gemeint sein können.
  • Im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung sei der Ausdruck "insbesondere" immer so zu verstehen, dass mit diesem Ausdruck ein optionales, bevorzugtes Merkmal eingeleitet wird. Der Ausdruck ist nicht als "und zwar" und nicht als "nämlich" zu verstehen.
  • Unter einer "Induktionsheizvorrichtung" wird eine Vorrichtung verstanden, welche zur induktiven Erwärmung eines metallischen Guts unter Verwendung von elektrischer Energie eingerichtet ist. Die Induktionsvorrichtung erzeugt mit zumindest einem "Schwingkreis" aufweisend jeweils zumindest eine Spule ein von der Spule hervorgerufenes magnetisches Wechselfeld. Steht das metallische Gut in einer Wirkverbindung zu dem magnetischen Wechselfeld, so wird von dem magnetischen Wechselfeld in dem metallischen Gut eine elektrische Spannung induziert, die zu einem elektrischen Strom in dem metallischen Gut führt, insbesondere einem elektrischen Wechselstrom. Dieser Strom verläuft stets in geschlossenen Bahnen, kann daher auch als Wirbelstrom bezeichnet werden und bewirkt gemäß Joule'scher Verluste eine Erwärmung des metallischen Guts. Hinzu kommt im Falle eines ferromagnetischen metallischen Guts bis zum Erreichen der Curie-Temperatur, bei deren Erreichen ferromagnetische bzw. ferroelektrische Eigenschaften des metallischen Guts vollständig verschwunden sind, eine Erwärmung auch infolge von Ummagnetisierungsverlusten.
  • Vorteilhaft kann durch eine Induktionsheizvorrichtung eine unmittelbare Erwärmung des metallischen Guts erreicht werden, da die Wärme in dem metallischen Gut selbst entsteht und nicht über die Oberfläche des metallischen Guts von außen durch Wärmeleitung, Konvektion und/oder Strahlung eingebracht werden muss.
  • Ein "metallisches Gut" meint jegliches Produkt aufweisend einen elektrisch leitfähigen Eisenwerkstoff, einen Stahlwerkstoff und/oder einen Nichteisenmetall-Werkstoff. Insbesondere kann unter einem metallischen Gut jegliches Halbzeug und/oder jegliches Vorprodukt und/oder jegliches Zwischenprodukt und/oder jegliches Produkt verstanden werden, welches elektrisch leitfähig ist.
  • Eine Spule einer Induktionsheizvorrichtung kann weniger als eine vollständige Windung, eine vollständige Windung und/oder mehr als eine vollständige Windung aufweisen, insbesondere mehr oder gleich zwei Windungen, mehr oder gleich drei Windungen oder mehr oder gleich vier Windungen.
  • Eine Wirkverbindung zwischen einem metallischen Gut und einem magnetischen Wechselfeld kann durch Längsfeldinduktion und/oder durch Querfeldinduktion herbeigeführt werden. Die magnetischen Feldlinien verlaufen bei Längsfeldinduktion im Wesentlichen in Längserstreckungsrichtung des metallischen Gutes. Bei Querfeldinduktion verlaufen die magnetischen Feldlinien in dem metallischen Gut im Wesentlichen in einer Quererstreckungsrichtung des metallischen Gutes, insbesondere in Dickenrichtung und/oder in Breitenrichtung des metallischen Gutes. Handelt es sich bei dem metallischen Gut um ein Blech, so können die magnetischen Feldlinien bei Querfeldinduktion im Wesentlichen in Dickenrichtung des Blechs in das Blech eintreten und wieder in Dickenrichtung aus dem Blech austreten.
  • Unter einer "Energieversorgungseinrichtung" wird eine Vorrichtung verstanden, welche dazu eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb zumindest eines Schwingkreises bereitzustellen, insbesondere mit elektrischen Strom geeigneter Stromstärke, geeigneter Spannung und/oder geeigneter Frequenz. Eine Energieversorgungsvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, elektrische Energie für eine Mehrzahl von Schwingkreisen bereitzustellen, insbesondere für zumindest zwei Schwingkreise, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Schwingkreise.
  • Eine Energieversorgungsvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, elektrische Energie zur Bereitstellung für den Schwingkreis für einen effizienzoptimalen Betrieb eines Schwingkreises aufzubereiten und bereitzustellen, insbesondere mit der optimalen Frequenz und/oder der optimalen Phasenlage zu der Phasenlage des Schwingkreises.
  • Eine Energieversorgungsvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, etwaige Rückwirkungen auf eine elektrische Stromversorgung, die durch den Betrieb eines Schwingkreises entstehen, zu verhindern oder zu vermindern.
  • Eine Energieversorgungsvorrichtung ist zum Anschluss an eine elektrische Stromversorgung ausgebildet. Unter einer elektrischen Stromversorgung kann ein dreiphasiges Stromversorgungsnetz verstanden werden. Eine elektrische Stromversorgung kann eine Wechselstromversorgung oder eine Gleichstromversorgung sein.
  • Eine Stromversorgung kann Mittelspannung oder eine Hochspannung aufweisen.
  • Hochspannung kann größer oder gleich 36 kV sein, vorzugsweise größer oder gleich 60 kV und besonders bevorzugt größer oder gleich 100 kV. Ferner kann Hochspannung größer oder gleich 150 kV sein, vorzugsweise größer oder gleich 200 kV und besonders bevorzugt größer oder gleich 300 kV. Hochspannung kann kleiner oder gleich 400 kV sein. Ferner kann Hochspannung kleiner oder gleich 300 kV sein, vorzugsweise kleiner oder gleich 200 kV und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 150 kV.
  • Mittelspannung kann größer oder gleich 1 kV Wechselstrom oder größer oder gleich 1,5 kV Gleichstrom sein, vorzugsweise größer oder gleich 2 kV und besonders bevorzugt größer oder gleich 10 kV. Mittelspannung kann größer oder gleich 15 kV sein, vorzugsweise größer oder gleich 20 kV und besonders bevorzugt größer oder gleich 30 kV. Mittelspannung kann kleiner als oder gleich 36 kV sein. Ferner kann Mittelspannung kleiner oder gleich 30 kV sein, vorzugsweise kleiner oder gleich 20 kV und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 15 kV.
  • Vorzugsweise können die Spannungspegel gemäß IEC 60519-4 definiert sein.
  • Ein "Trennschalter" ist ein Schaltelement, welches dazu eingerichtet ist, einen Stromkreis zu schließen oder spannungsfrei zu schalten, insbesondere für Service- und/oder Wartungsarbeiten oder Betriebsunterbrechungen. Ein Trennschalter kann als Leistungsschalter für hohe Ströme ausgebildet sein.
  • Optional umfasst die Energieversorgungsvorrichtung einen einphasigen Trennschalter oder einen Dreiphasen-Trennschalter.
  • Mittels der hier vorgeschlagenen Trennschalter kann sichergestellt werden, dass die Energieversorgungsvorrichtung spannungsfrei geschaltet werden kann.
  • Vorzugsweise verbindet ein Trennschalter die Energieversorgungseinrichtung in geöffneter Stellung mit dem Erdpotential. Dadurch kann die Sicherheit gegen Stromschläge erhöht werden.
  • Ein "Wechselrichter" ist ein leistungselektronisches Gerät oder eine elektrische Schaltung, die dazu eingerichtet ist, einen Gleichstrom (DC) in einen Wechselstrom (AC) umzuwandeln. Die sich daraus ergebende Wechselstromfrequenz hängt vom Schaltalgorithmus des Wechselrichters ab.
  • Eine Wechselrichterschaltung kann durch Anwendung eines Algorithmus zur Pulsweitenmodulation gesteuert werden.
  • Insbesondere kann der Wechselrichter für den Betrieb eines spezifischen Schwingkreises ausgelegt sein. Bei der Verwendung unterschiedlicher Schwingkreise können vorteilhaft auch auf die unterschiedlichen Schwingkreise spezifisch abgestimmte unterschiedliche Wechselrichter verwendet werden, wobei ein Gleichrichter und/oder eine Glättungsschaltung und/oder ein Transformator und/oder ein Trennschalter für eine Mehrzahl unterschiedlicher Schwingkreise gleich ausgeführt sein können.
  • Unter einer "Schaltvorrichtung" wird eine Baugruppe verstanden, die dazu eingerichtet ist, eine elektrisch leitende Verbindung mittels einem Schalter zu schalten, also eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zumindest zwei Kontakten herzustellen oder zu trennen.
  • Eine Schaltvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, einen Wechselstrom zu schalten. Die Schaltvorrichtung kann entsprechend zwischen einem Wechselrichter und zumindest einem Schwingkreis angeordnet sein.
  • Eine Schaltvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, einen Gleichstrom zu schalten. Die Schaltvorrichtung kann entsprechend zwischen einem Gleichrichter oder einer Glättungsschaltung oder einer Gleichstromversorgung und zumindest einem Schwingkreis angeordnet sein.
  • Vorzugsweise weist eine Schaltvorrichtung eine Mehrzahl von Schaltmöglichkeiten zwischen einer Stromquelle, vorzugsweise einer Wechselstromquelle oder einer Gleichstromquelle, und zumindest zwei Verbrauchern auf, vorzugsweise drei, vier, fünf oder mehr Verbrauchern, insbesondere Schwingkreisen und/oder Wechselrichtern. Die Schaltvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, genau eine Verbindung zwischen einer Stromquelle und genau einem der Verbraucher zu trennen oder herzustellen oder auf einen anderen Verbraucher zu wechseln. Die Schaltvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, zwei, drei, vier oder mehr Verbindungen zwischen genau einer Stromquelle und zwei, drei, vier oder mehr der Verbraucher zu trennen oder herzustellen oder zu wechseln, insbesondere paarweise zu wechseln.
  • Eine Schaltvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, eine Mehrzahl von Stromquellen zu umfassen, wobei jeweils eine Stromquelle mit genau einem Verbraucher oder einer Mehrzahl von Verbrauchern verbunden oder getrennt oder gewechselt werden kann. Vorzugsweise ist die Schaltvorrichtung dazu ausgebildet, dass weniger als eine Verbindung zwischen einem Verbraucher und mindestens zwei Stromquellen gleichzeitig hergestellt werden kann.
  • Hier wird eine Energieversorgungseinrichtung für eine Induktionsheizvorrichtung aufweisend einen Trennschalter, zumindest zwei Wechselrichter und eine Schaltvorrichtung vorgeschlagen, wobei der Trennschalter zum Anschluss der Energieversorgungseinrichtung an eine elektrische Stromversorgung eingerichtet ist, wobei ein Wechselrichter zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom zur Energieversorgung eines Schwingkreises eingerichtet ist, wobei die Schaltvorrichtung dazu eingerichtet ist, eine zumindest mittelbare Energiekopplung zwischen dem Trennschalter und einer Mehrzahl von Schwingkreisen zu ermöglichen, und wobei eine Anzahl gleichzeitig energiekoppelbarer Schwingkreise kleiner ist als eine Anzahl mit an der Schaltvorrichtung zumindest mittelbar anschließbarer Schwingkreise.
  • Durch die Energieversorgungseinrichtung kann zumindest ein Bestandteil der Energieversorgungsvorrichtung alternierend und/oder intermittierend für eine Mehrzahl von Schwingkreisen verwendet werden, wobei die Mehrzahl der Schwingkreise nicht gleichzeitig betrieben werden kann. Mit anderen Worten werden gewisse Bestandteile der Energieversorgungseinrichtung, insbesondere der Trennschalter, nur so oft installiert, wie diese für den sinnvollen gleichzeitigen Betrieb der installierten/installierbaren Schwingkreise notwendig sind, während die Schwingkreise an jeder Position in einer Produktionslinie installiert werden können, an welcher eine Erwärmung benötigt werden kann.
  • Alternativ wird hier eine Induktionsheizvorrichtung vorgeschlagen, welche eine vorstehend beschriebene Energieversorgungseirichtung und zumindest zwei Schwingkreise aufweist.
  • So können unterschiedliche Schwingkreise an verschiedenen Stellen in einer Produktionslinie mit einem gemeinsamen Bestandteil der Energieversorgungseirichtung, welcher lediglich für den Betrieb einiger oder einer der zur Verfügung stehenden Schwingkreise ausgelegten ist, alternierend und/oder intermittierend betrieben werden.
  • Energieversorgungseinrichtungen machen einen großen Anteil der Investitionskosten einer Induktionsheizvorrichtung aus. Mit der hier vorgeschlagenen Energieversorgungseinrichtung können die Investitionskosten für eine Induktionsheizvorrichtung reduziert werden, insbesondere für eine Induktionsheizvorrichtung mit räumlich verteilt angeordneten Schwingkreisen.
  • Häufig werden nicht alle Schwingkreise einer Produktionslinie gleichzeitig betrieben. Schwingkreise werden aktuell überwiegend in Abhängigkeit von dem aktuell herzustellenden Produkt betrieben. So kann es sein, dass innerhalb einer Produktionslinie insgesamt sechs Schwingkreise verbaut sind, aber in jedem Fall nur maximal drei Schwingkreise gleichzeitig betrieben werden. Enthält jede Induktionsheizvorrichtung dabei alle Bestandteile einer Energieversorgungseinrichtung, so entstehen die damit verbunden Investitionskosten in vollem Umfang.
  • Moderne Produktionslinien müssen in der Regel flexibel auf eine große Bandbreite zu produzierender metallischer Güter mit jeweils eigenen Anforderungen an die Temperaturführung während der durchzuführenden Verfahrensschritte reagieren können. Die jeweils günstigste Fahrweise der Produktionslinie kann dabei, in Abhängigkeit vom Produkt, den zuvor und anschließend produzierten Produkten, dem aktuellen Energiepreismix und weiteren Randbedingungen, den Einsatz von Schwingkreisen an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Produktionslinie erfordern.
  • Durch die hier vorgeschlagene Energieversorgungseinrichtung kann die Flexibilität der Produktionslinie verbessert werden, eine Reaktionszeit beim Produktwechsel reduziert werden, die Energieeffizienz der Produktionslinie bei Betriebsmodi oder metallischen Gütern, die dies zulassen, verbessert werden und die bauliche Länge einer Produktionslinie verkürzt werden.
  • Optional ist der Trennschalter zum Anschluss der Induktionsheizvorrichtung an eine Gleichstromversorgung eingerichtet.
  • Hier wird vorgeschlagen, dass der Trennschalter der Energieversorgungseinrichtung dazu eingerichtet ist, mit einer Gleichstromversorgung verbunden zu werden, vorzugsweise mit einer Gleichstromversorgung aufweisend eine Mittelspannung oder eine Niederspannung.
  • Die Wechselrichter der Energieversorgungseinrichtung können so ausgebildet sein, dass sie mittelbar mit der Gleichstromversorgung verbunden werden können, vorzugsweise also mit einer Mittelspannungsgleichspannung oder einer Niederspannungsgleichspannung gespeist werden können.
  • Niederspannung kann größer oder gleich 120 V sein, vorzugsweise größer oder gleich 220 V und besonders bevorzugt größer oder gleich 240 V. Niederspannung kann kleiner oder gleich 1.000 V und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 900 V sein. Niederspannung kann kleiner oder gleich 600 V sein, vorzugsweise kleiner oder gleich 240 V und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 220 V.
  • Optional ist der Trennschalter zum Anschluss der Induktionsheizvorrichtung an eine Wechselstromversorgung eingerichtet, wobei die Energieversorgungseinrichtung zwischen dem Trennschalter und dem zumindest einen Wechselrichter zumindest einen Gleichrichter, insbesondere zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Gleichrichter, zur Umwandlung eines Wechselstroms in einen Gleichstrom zur Energieversorgung des zumindest einen Wechselrichters aufweist.
  • Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:
    Ein "Gleichrichter" ist ein elektrisches Gerät, das Wechselstrom, der periodisch die Richtung wechselt, in Gleichstrom umwandelt.
  • Ein Gleichrichter kann ein Dreiphasen-Gleichrichter sein. Der Gleichrichter kann dazu ausgebildet sein, mit einer Mittelspannung oder einer Niederspannung versorgt zu werden.
  • Ein Gleichrichter kann eine Topologie haben, die Dioden umfasst und/oder aus Dioden besteht. Ein Dreiphasen-Gleichrichter kann ein ungesteuerter n-mal-6-Impuls-Dioden-Gleichrichter sein, insbesondere ein 6-Impuls-Dioden-Gleichrichter, ein 12-Impuls-Dioden-Gleichrichter, ein 18-Impuls-Dioden-Gleichrichter und so weiter.
  • Durch den Einsatz von Transistoren und/oder Thyristoren kann ein Gleichrichter vorteilhaft gesteuert oder geregelt werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Energieversorgungseinrichtung zur Einhaltung von Vorgaben eines Stromversorgungsbetreibers an einen statischen Blindleistungskompensator angeschlossen werden muss.
  • Zweckmäßig weist die Energieversorgungseinrichtung zwischen dem Trennschalter und dem zumindest einen Gleichrichter einen Transformator auf.
  • Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:
    Ein "Transformator" ist ein Bauteil, das elektrische Energie von einem Stromkreis auf einen anderen Stromkreis überträgt, ohne dass eine leitende Verbindung zwischen den beiden Stromkreisen besteht. Der Transformator wandelt einen Wechselstrom (AC) an einer Primärseite des Transformators in einen Wechselstrom an einer Sekundärseite des Transformators um.
  • Ein Transformator kann ein Dreiphasen-Transformator sein.
  • Der Transformator kann ein Hochspannungs-Mittelspannungs-Transformator sein, der eine Hochspannung an einer Primärseite des Transformators in eine Mittelspannung an einer Sekundärseite des Transformators umwandelt.
  • Der Transformator kann ein Hochspannungs-Niederspannungs-Transformator sein, der eine Hochspannung an einer Primärseite des Transformators in eine Niederspannung an einer Sekundärseite des Transformators umwandelt.
  • Der Transformator kann ein Mittelspannungs-Niederspannungs-Transformator sein, der eine Mittelspannung an einer Primärseite des Transformators in eine Niederspannung an einer Sekundärseite des Transformators umwandelt.
  • Optional ist der Trennschalter als Mittelspannungsschaltanlage ausgebildet.
  • Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:
    Unter einer "Mittelspannungsschaltanlage" wird eine zentrale Anordnung von Leistungstrennschaltern und/oder Sicherungen und/oder Schutzschaltern verstanden, die dem Schutz und/oder der Steuerung und/oder der Erdung der Energieversorgungseinrichtung dienen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der zumindest eine Wechselrichter und/oder der zumindest eine Gleichrichter für einen Mittelspannungsbetrieb ausgebildet. Mit anderen Worten sind der zumindest eine Gleichrichter und/oder der zumindest eine Wechselrichter für die Versorgung mit einer Mittelspannung ausgebildet.
  • Bevorzugt weist die Energieversorgungseinrichtung zwischen dem Trennschalter und dem zumindest einen Wechselrichter, insbesondere zwischen dem zumindest einen Gleichrichter und dem zumindest einen Wechselrichter, eine Glättungsschaltung auf.
  • Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:
    Die Ableitung einer Gleichspannung innerhalb einer Stromversorgung, insbesondere innerhalb einer Energieversorgungsvorrichtung, aus einer Wechselstromquelle kann zu einer Brummspannung führen, insbesondere bei Verwendung eines Diodengleichrichters. Die Brummspannung ist eine periodische Restschwankung der Ausgangsspannung eines Gleichrichters.
  • Um die Brummspannung zu glätten, kann ein Gleichrichter mit einer "Glättungsschaltung" verbunden werden, die dazu eingerichtet ist, die Brummspannung zu glätten.
  • Die Glättungsschaltung kann einen parallel zu einer Gleichrichterschaltung geschalteten Kondensator aufweisen.
  • Die Glättungsschaltung kann eine Induktivität aufweisen, die in Reihe mit einer Gleichrichterschaltung geschaltet ist.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform können ein Gleichrichter und ein Wechselrichter unter Verwendung von Gleichstromschienen energetisch miteinander gekoppelt werden.
  • Gemäß einer optionalen Ausführungsform weist die Energieversorgungseinrichtung zwischen dem Trennschalter und dem zumindest einen Wechselrichter, insbesondere zwischen dem zumindest einen Gleichrichter und dem zumindest einen Wechselrichter, einen Gleichstromwandler auf.
  • Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:
    Ein "Gleichstromwandler" ist ein leistungselektronisches Gerät oder eine elektrische Schaltung, die dazu eingerichtet ist, einen am Eingang des Gleichstromwandlers anliegenden Gleichstrom (DC) mit einer am Eingang zugeführten Spannung in einen Gleichstrom am Ausgang des Gleichstromwandlers mit einem höheren, niedrigeren oder invertierten Spannungsniveau umzuwandeln.
  • Ein Gleichstromwandler, angeordnet zwischen einem Gleichrichter und einem Wechselrichter, ermöglicht eine Veränderung des Spannungsniveaus zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter. Auf diese Weise kann insbesondere ein Mittelspannungsgleichrichter mit einem Niederspannungswechselrichter kombiniert werden. Hierdurch kann die Gesamteffizienz der Energieversorgungsvorrichtung verbessert werden.
  • Bevorzugt ist eine Schaltvorrichtung zwischen einem Gleichrichter und zumindest zwei Wechselrichtern angeordnet, wobei die Schaltvorrichtung dazu ausgebildet ist,
    • eine Energiekopplung zwischen dem Gleichrichter und genau einem Wechselrichter herzustellen,
      und/oder
    • eine Energiekopplung zwischen dem Gleichrichter und einer Gruppe von Wechselrichtern herzustellen, insbesondere eine Energiekopplung zwischen dem Gleichrichter und einer Teilmenge der Gruppe von Wechselrichtern.
  • Alternativ hierzu kann bei einer bereits mittels Gleichspannung versorgten Induktionsheizvorrichtung, welche unter anderem an ein lokales Gleichspannungsübertragungsnetz angeschlossen sein kann, vorgesehen sein, dass eine Schaltvorrichtung zwischen dem Trennschalter und zumindest zwei Wechselrichtern angeordnet ist, wobei die Schaltvorrichtung dazu ausgebildet ist,
    • eine Energiekopplung zwischen dem Trennschalter und genau einem Wechselrichter herzustellen,
      und/oder
    • eine Energiekopplung zwischen dem Trennschalter und einer Gruppe von Wechselrichtern herzustellen, insbesondere eine Energiekopplung zwischen dem Trennschalter und einer Teilmenge der Gruppe von Wechselrichtern.
  • Die hier vorgeschlagene Schaltvorrichtung ist zwischen einem Gleichrichter oder einem Trennschalter und zumindest zwei Wechselrichtern angeordnet, sodass die Schaltvorrichtung dazu ausgebildet ist, im Bereich der Gleichstromübertragung zu schalten.
  • Vorteilhaft kann so erreicht werden, dass die zwischen der elektrischen Stromversorgung der Induktionsheizvorrichtung und der Schaltvorrichtung verbauten Komponenten der Energieversorgungseinrichtung nicht jeweils für jeden versorgten Schwingkreis separat ausgeführt sein müssen. Vielmehr ist es ausreichend, wenn die vor der Schaltvorrichtung verbauten Komponenten hinsichtlich ihrer Anzahl lediglich einfach verbaut sind, wobei die Komponenten jeweils lediglich an die maximal designiert gleichzeitig zur Verfügung gestellte elektrische Leistung der Induktionsheizvorrichtung angepasst sein müssen. Da vorliegend vorgesehen ist, dass zumindest ein Schwingkreis der Induktionsheizvorrichtung weniger betrieben werden kann als insgesamt in der Induktionsheizvorrichtung angeordnet sind, kann die Nennleistung der Komponenten bis zu der Schaltvorrichtung auch entsprechend und im Vergleich zu der Summe der Nennleistungen aller verbauten Schwingkreise kleiner dimensioniert werden, insbesondere die Nennleistung des Trennschalters und/oder des Transformators und/oder des Gleichrichters. Alternativ kann die von der Energieversorgungseinrichtung bereitstellbare elektrische Nennleistung auch durch eine Mehrzahl einzelner Komponenten bereitgestellt werden, insbesondere zueinander parallelgeschalteter Komponenten. So können unter anderem eine Mehrzahl Transformatoren und/oder eine Mehrzahl Gleichrichter vor der Schaltvorrichtung parallelgeschaltet sein, ohne den hier vorgeschlagenen Aspekt zu verlassen. Dabei können die parallelgeschalteten Komponenten derart ausgeführt sein, dass sie jeweils einen Teil der jeweils benötigten elektrischen Nennleistung bereitstellen können.
  • So kann die Induktionsheizvorrichtung zumindest einen Gleichrichter und/oder einen Transformator und/oder einen Trennschalter weniger aufweisen als Schwingkreise.
  • Hinsichtlich der möglichen Schaltzustände der hier vorgeschlagenen Schaltvorrichtung kann die Schaltvorrichtung derart ausgeführt sein, dass von der Mehrzahl mit der einzelnen Schaltvorrichtung verbundenen Schwingkreisen genau bis zu einem Schwingkreis gleichzeitig mit dem Gleichstromanschluss der Schaltvorrichtung energiegekoppelt sein kann. Die Mehrzahl der an die Schaltvorrichtung angeschlossenen Schwingkreise kann entsprechend alternierend und/oder intermittierend betrieben werden.
  • Alternativ kann hinsichtlich der möglichen Schaltzustände der hier vorgeschlagenen Schaltvorrichtung vorgesehen sein, dass die Schaltvorrichtung derart ausgeführt ist, dass eine Energiekopplung zwischen dem Gleichstromanschluss der Schaltvorrichtung und einer Gruppe von Wechselrichtern hergestellt werden kann, insbesondere eine Energiekopplung zwischen dem Gleichstromanschluss der Schaltvorrichtung und einer Teilmenge der Gruppe von Wechselrichtern, wobei auch hier vorgesehen ist, dass zumindest ein Schwingkreis im Vergleich zu der insgesamt verbauten Anzahl von Schwingkreisen weniger gleichzeitig betrieben werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass jeweils eine Schaltverbindung alternierend oder intermittierend gewechselt werden kann oder eine Mehrzahl von Schaltverbindungen gleichzeitig alternierend und/oder intermittierend gewechselt werden können, insbesondere kann so auch vorgesehen sein, dass ein Paar von Schwingkreisen gleichzeitig geschaltet werden kann, insbesondere ein erstes Paar von Schwingkreisen mit einem zweiten Paar von Schwingkreisen gleichzeitig gewechselt werden kann.
  • So kann unter anderem ein in einem vorderen Bereich einer Produktionslinie angeordnetes erstes Paar von Schwingkreisen alternierend oder intermittierend zu einem zweiten Paar von Schwingkreisen betrieben werden, welches in einem hinteren Bereich der Produktionslinie angeordnet ist.
  • Zweckmäßig ist eine Schaltvorrichtung zwischen einem Wechselrichter und zumindest zwei Schwingkreisen angeordnet, wobei die Schaltvorrichtung dazu ausgebildet ist,
    • eine Energiekopplung zwischen dem Wechselrichter und genau einem Schwingkreis zur Erzeugung eines Magnetfeldes herzustellen,
      und/oder
    • eine Energiekopplung zwischen dem Wechselrichter und einer Gruppe von Schwingkreisen zur Erzeugung von jeweils einem Magnetfeld herzustellen, insbesondere eine Energiekopplung zwischen dem Wechselrichter und einer Teilmenge der Gruppe von Schwingkreisen.
  • Die hier vorgeschlagene Schaltvorrichtung ist zwischen einem Wechselrichter und zumindest zwei Schwingkreisen angeordnet, sodass die Schaltvorrichtung dazu ausgebildet ist, im Bereich der Wechselstromübertragung zu schalten.
  • Vorteilhaft kann so erreicht werden, dass die Komponenten der Energieversorgungseinrichtung nicht jeweils für jeden versorgten Schwingkreis separat ausgeführt sein müssen. Vielmehr können sie jeweils einmal und/oder entsprechend der von den Schwingkreisen maximal gleichzeitig abrufbaren Nennleistung dimensioniert sein, wobei auch Parallelschaltungen einzelner Komponenten zur Erreichung der notwendigen Nennleistung denkbar sind.
  • So kann die Induktionsheizvorrichtung zumindest einen Gleichrichter und/oder einen Wechselrichter und/oder einen Transformator und/oder einen Trennschalter weniger aufweisen als Schwingkreise. Weiterhin kann die Induktionsheizvorrichtung hinsichtlich der von der Energieversorgungseinrichtung bereitstellbaren Nennleistung so dimensioniert sein, dass diese kleiner ist als die Summe der Nennleistungen der von der Induktionsheizvorrichtung umfassten Schwingkreise.
  • Es versteht sich, dass eine Induktionsheizvorrichtung auch eine Mehrzahl von Schaltvorrichtungen aufweisen kann.
  • So kann unter anderem vorgesehen sein, dass die Induktionsheizvorrichtung zumindest zwei Schaltvorrichtungen zwischen zumindest einem Trennschalter und jeweils einer Mehrzahl von zumindest mittelbar verbundenen Wechselrichtern aufweisen kann, wobei die Mehrzahl der Schaltvorrichtungen auch parallel zueinander geschaltet sein kann und mit genau einem Trennschalter und/oder genau einem Transformator und/oder genau einem Gleichrichter verbunden sein kann.
  • Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass die Induktionsheizvorrichtung zumindest zwei Schaltvorrichtungen zwischen zumindest einem Wechselrichter und jeweils einer Mehrzahl von zumindest mittelbar verbundenen Schwingkreisen mit vorzugsweise gleichen elektrischen Eigenschaften aufweisen kann, wobei die Mehrzahl der Schaltvorrichtungen auch parallel zueinander geschaltet sein kann und mit genau einem Wechselrichter und/oder genau einem Transformator und/oder genau einem Gleichrichter verbunden sein kann.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Induktionsheizeinrichtung sowohl eine oder mehrere Schaltvorrichtungen zwischen zumindest einem Trennschalter und zumindest jeweils einer Mehrzahl von Wechselrichtern sowie eine oder mehrere Schaltvorrichtungen zwischen zumindest einem Wechselrichter und zumindest jeweils einer Mehrzahl von Schwingkreisen aufweisen kann.
  • Auch ein paralleler Betrieb einer Mehrzahl von Schwingkreisen an einem Wechselrichter ist denkbar, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Mehrzahl der Schwingkreise gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen.
  • Bevorzugt ist die Induktionsheizvorrichtung mechanisch verfahrbar ausgebildet und/oder zumindest teilweise mechanisch verfahrbar ausgebildet.
  • Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:
    Unter "mechanisch verfahrbar" wird verstanden, dass die betreffende Einheit, insbesondere die Induktionsheizvorrichtung oder die Energieversorgungseinrichtung, lösbar mit dem Untergrund, auf dem sie designiert steht, verbunden ist, die Einheit Anschlagmittel zur Befestigung der Einheit an einem Kran oder dergleichen aufweist und/oder die Einheit mittels lösbarer Verbindungsmittel mit Strom und/oder Betriebsstoffen, insbesondere Kühlflüssigkeit, versorgt wird.
  • Die Induktionsheizvorrichtung kann hierdurch flexibel an abweichenden Positionen in einer Produktionslinie eingesetzt werden, wobei der Zeitraum für eine Umrüstung der Produktionslinie minimiert werden kann. Durch die Anschlagmittel kann erreicht werden, dass die Induktionsheizvorrichtung nach Bedarf durch einen Kran, ein Flurförderfahrzeug und/oder eine abweichende dezidierte Verfahreinrichtung bewegt werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein einzelner Schwingkreis verfahrbar ausgestaltet sein, sodass dieser an unterschiedlichen Positionen einer Produktionslinie im Wechsel eingesetzt werden kann.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Energieversorgungseinrichtung mechanisch verfahrbar ausgebildet und/oder zumindest teilweise mechanisch verfahrbar ausgebildet.
  • Ein Teil einer Energieversorgungseinrichtung kann insbesondere eine Komponente einer Leistungselektronik einer Energieversorgungseinrichtung sein, insbesondere ein Transformator, ein Gleichrichter, ein Gleichstromwandler, ein Wechselrichter und/oder eine Glättungsschaltung.
  • Optional ist ein Schwingkreis für eine Längsfeldinduktion und/oder eine Querfeldinduktion ausgebildet.
  • Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:
    Ein für eine "Längsfeldinduktion" ausgebildeter Schwingkreis kann eine Spule aufweisen, welche zumindest eine Kante des metallischen Guts umschließt, vorzugsweise zumindest zwei Kanten und besonders bevorzugt vier Kanten.
  • Vorzugsweise weist ein für die Längsfeldinduktion ausgebildeter Schwingkreis mehrere querab zur designierten Längserstreckung des metallischen Guts gewickelte Windungen der Spule auf, vorzugsweise zumindest zwei Windungen, bevorzugt zumindest drei Windungen und besonders bevorzugt zumindest vier Windungen, wobei die Mehrzahl der Windungen bevorzugt kompakt nebeneinander angeordnet sind, wobei der kürzeste Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen vorzugsweise kleiner ist als eine Quererstreckung einer Windung.
  • Ein für eine "Querfeldinduktion" ausgebildeter Schwingkreis weist eine Spule auf, welche sich überwiegend in einer Ebene erstreckt, vorzugsweise mäanderförmig in einer Ebene erstreckt, wobei die Spule vorzugsweise keine Kante des metallischen Guts umschließt.
  • Vorzugsweise weist ein für eine "Querfeldinduktion" ausgebildeter Schwingkreis eine erste Spule und eine zweite Spule auf, welche sich jeweils überwiegend in einer Ebene erstrecken, vorzugsweise jeweils mäanderförmig in einer Ebene erstrecken, wobei die Spulen jeweils vorzugsweise keine Kante des metallischen Guts umschließen. Die jeweiligen Erstreckungsebenen können parallel zueinander angeordnet sein. Die jeweiligen Spulen können spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sein. Vorzugsweise wird das zu erwärmende metallische Gut zwischen den Spulen hindurchgeführt, vorzugsweise in der Spiegelebene hindurchgeführt.
  • Eine derartig ausgebildete Spulenanordnung aus einer ersten sich im Wesentlichen in einer Ebene erstreckenden Spule und einer sich spiegelsymmetrisch erstreckenden zweiten Spule kann ebenfalls für eine Längsfeldinduktion verwendet werden, wenn jede Spule einen separaten Schwingkreis bildet und die Schwingkreise entgegengesetzt getaktet betrieben werden, also einen Phasenwinkel der jeweiligen Betriebsströme von vorzugsweise 180 Grad aufweisen.
  • Vorteilhaft kann ein für eine Querfeldinduktion ausgebildeter Schwingkreis und ein für eine Längsfeldinduktion ausgebildeter Schwingkreis an einer zumindest teilweise gleichen Energieversorgungseinrichtung betrieben werden, wodurch Investitionskosten einer Produktionslinie reduziert werden können. Insbesondere können der Trennschalter, der Gleichrichter und die Glättungsschaltung gleichermaßen und ohne Modifikation für einen für eine Querfeldinduktion ausgebildeten Schwingkreis und einen für eine Längsfeldinduktion ausgebildeten Schwingkreis verwendet werden.
  • Prinzipiell kann auch der Wechselrichter der Energieversorgungseinrichtung gleich sein, wobei gegebenenfalls ein anderer Betriebsmodus gewählt werden kann und/oder ein anderes Steuer- und/oder Regelsignal für den Wechselrichter verwendet werden kann, insbesondere ein anderes Pulsweitenmodulationssignal.
  • Zweckmäßig ist eine elektrische Verbindung zwischen einem Wechselrichter und einem Schwingkreis mittels einer fluidgekühlten Stromschiene ausgebildet, insbesondere einer zur Innenkühlung mit einem Fluid eingerichteten Stromschiene.
  • Vorzugsweise kann eine Stromschiene zwischen einem Wechselrichter und einem Schwingkreis mit einem flüssigen Kühlmittel gekühlt werden, insbesondere mit Wasser, wobei das Kühlmittel vorzugsweise innerhalb der Stromschiene und weiterhin vorzugsweise von der Stromschiene geführt werden kann. Auf diese Weise kann eine Stromschiene unter anderem mittels erzwungener Konvektion gekühlt werden.
  • Alternativ kann eine Stromschiene mit einem gasförmigen Kühlmittel gekühlt werden, insbesondere mit Luft oder einem abweichenden Gasgemisch. Hierdurch kann die Stromschiene sowohl mittels erzwungener Konvektion und/oder mittels freier Konvektion gekühlt werden.
  • Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe ein System aufweisend eine Mehrzahl von Induktionsheizvorrichtungen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebenen Vorteile einer Induktionsheizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung unmittelbar auf ein System aufweisend eine Mehrzahl von Induktionsheizvorrichtungen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung übertragbar sind.
  • Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Gegenstand des zweiten Aspekts mit dem Gegenstand des vorstehenden Aspekts der Erfindung vorteilhaft kombinierbar ist, und zwar sowohl einzeln oder in beliebiger Kombination kumulativ.
  • Nach einem dritten Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe eine Produktionslinie zur Herstellung und/oder Verarbeitung eines metallischen Gutes, insbesondere eines Halbzeugs und/oder eines Vorprodukts und/oder eines Zwischenprodukts und/oder eines Produkts aus Eisen-, Stahl- und/oder einem Nichteisenmetall-Werkstoff, aufweisend eine Induktionsheizeinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder ein System gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebenen Vorteile einer Induktionsheizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder eines Systems gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung unmittelbar auf eine Produktionslinie zur Herstellung und/oder Verarbeitung eines metallischen Gutes, insbesondere eines Halbzeugs und/oder eines Vorprodukts und/oder eines Zwischenprodukts und/oder eines Produkts aus Eisen-, Stahl- und/oder einem Nichteisenmetall-Werkstoff, aufweisend eine Induktionsheizeinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder ein System gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung übertragbar sind.
  • Eine Produktionslinie kann eine Warmwalzstraße, insbesondere mit einem Warm- oder Heißeinsatz, und/oder eine Bandanlage sein.
  • Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Gegenstand des dritten Aspekts mit dem Gegenstand des vorstehenden Aspekts der Erfindung vorteilhaft kombinierbar ist, und zwar sowohl einzeln oder in beliebiger Kombination kumulativ.
  • Nach einem vierten Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe ein Verfahren zum Betrieb einer Induktionsheizeinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei zumindest zwei Schwingkreise an verschiedenen Stellen in einer Produktionslinie abwechselnd und/oder intermittierend abwechselnd betrieben werden.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebenen Vorteile einer Induktionsheizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung unmittelbar auf ein Verfahren zum Betrieb einer Induktionsheizeinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung übertragbar sind.
  • Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Gegenstand des vierten Aspekts mit dem Gegenstand des vorstehenden Aspekts der Erfindung vorteilhaft kombinierbar ist, und zwar sowohl einzeln oder in beliebiger Kombination kumulativ.
  • Nach einem fünften Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe eine Verwendung einer Induktionsheizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zur Herstellung und/oder Verarbeitung eines metallischen Gutes, insbesondere eines Halbzeugs und/oder eines Vorprodukts und/oder eines Zwischenprodukts und/oder eines Produkts aus Eisen-, Stahl- und/oder einem Nichteisenmetall-Werkstoff.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebenen Vorteile einer Induktionsheizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung unmittelbar auf eine Verwendung einer Induktionsheizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung übertragbar sind.
  • Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Gegenstand des fünften Aspekts mit dem Gegenstand des vorstehenden Aspekts der Erfindung vorteilhaft kombinierbar ist, und zwar sowohl einzeln oder in beliebiger Kombination kumulativ.
  • Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus den erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im Einzelnen:
    • Figur 1:
    schematisch ein System aufweisend eine Mehrzahl von Induktionsheizvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik;
    Figur 2:
    schematisch eine erste Ausführungsform eines Systems aus Induktionsheizvorrichtungen;
    Figur 3:
    schematisch eine zweite Ausführungsform eines Systems aus Induktionsheizvorrichtungen; und
    Figur 4:
    schematisch eine dritte Ausführungsform eines Systems aus Induktionsheizvorrichtungen.
  • In der nun folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bzw. gleiche Merkmale, sodass eine in Bezug auf eine Figur durchgeführte Beschreibung bezüglich eines Bauteils auch für die anderen Figuren gilt, sodass eine wiederholende Beschreibung vermieden wird. Ferner sind einzelne Merkmale, die in Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben wurden, auch separat in anderen Ausführungsformen verwendbar.
  • Ein System 500 aufweisend eine Mehrzahl von Induktionsheizvorrichtungen 100, insbesondere aufweisend sieben Induktionsheizvorrichtungen 100, gemäß dem Stand der Technik in Figur 1 zur Erwärmung eines metallischen Gutes (nicht dargestellt) besteht im Wesentlichen aus einer Mehrzahl voneinander unabhängigen Induktionsheizvorrichtungen 100, welche weniger als eine unmittelbare Wirkverbindung untereinander aufweisen.
  • Grundsätzlich besteht eine Induktionsheizvorrichtung 100 aus einer Energieversorgungseinrichtung 20 und einem Schwingkreis 10, wobei die Energieversorgungseinrichtung 20 zumindest einen Wechselrichter 28 und einen Trennschalter 22 aufweist.
  • Jede Induktionsheizvorrichtung 100 weist zumindest einen Trennschalter 22, genau einen Wechselrichter 28 und genau einen Schwingkreis 10 auf, wobei der Schwingkreis 10 zur Erzeugung je eines Magnetfeldes zur Erwärmung des metallischen Gutes (nicht dargestellt) eingerichtet ist.
  • Der Trennschalter 22 ist zum Anschluss der Induktionsheizvorrichtung 100 an eine elektrische Stromversorgung (nicht dargestellt) eingerichtet.
  • Der Wechselrichter 28 ist zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom zur Energieversorgung des Schwingkreises 10 eingerichtet und mittels einer Wechselstromübertragung 29 mit dem Schwingkreis 10 verbunden.
  • Die elektrische Stromversorgung (nicht dargestellt) kann gemäß einer ersten Variante (nicht dargestellt) ein Gleichstromübertragungsnetz sein, insbesondere ein Gleichstromübertragungsnetz mit einer Mittelspannung. Gemäß dieser Variante kann der Wechselrichter 28 unmittelbar über den Trennschalter 22 oder mittelbar über einen Gleichstromwandler (nicht dargestellt) und den Trennschalter 22 mittels einer Gleichstromübertragung 27 mit der elektrischen Stromversorgung verbunden werden.
  • Gemäß einer zweiten Variante kann die elektrische Stromversorgung eine Wechselstromversorgung, insbesondere ein dreiphasiges Wechselstromnetz, sein. In diesem Fall weist die Energieversorgungseinrichtung 20 einen Gleichrichter 26 auf, welcher mittels einer Gleichstromübertragung 27 unmittelbar und/oder mittels eines Gleichstromwandlers (nicht dargestellt) mit dem Wechselrichter 28 verbunden sein kann. Weiterhin kann die Energieversorgungseinrichtung 20 einen Transformator 24 aufweisen. So kann die elektrische Stromversorgung (nicht dargestellt) unter anderem eine Hochspannungsstromversorgung oder eine Mittelspannungsstromversorgung sein, wobei ein Transformator 24 dazu eingerichtet sein kann, die Hochspannung in eine Mittelspannung oder eine Niederspannung zu wandeln oder die Mittelspannung in eine Niederspannung zu wandeln.
  • Die Mehrzahl der Induktionsheizvorrichtungen 100 in dem System 500 kann in einer Produktionslinie (nicht bezeichnet/nicht dargestellt) zur Herstellung/Verarbeitung eines metallischen Gutes, insbesondere eines Halbzeugs und/oder eines Vorprodukts und/oder eines Zwischenprodukts und/oder eines Produkts aus Eisen-, Stahl- und/oder einem Nichteisenmetall-Werkstoff, angeordnet sein, welche neben den Induktionsheizvorrichtungen 100 auch Behandlungseinrichtungen 40 zur Behandlung des metallischen Gutes (nicht dargestellt) aufweisen kann und wobei das metallische Gut (nicht dargestellt) in einer bevorzugten Bewegungsrichtung 42 durch die Produktionslinie (nicht bezeichnet/nicht dargestellt) gefördert werden kann. Je nach Position und Nennleistung einer Induktionsheizvorrichtung 100 sind dabei unterschiedliche Positionen innerhalb der Produktionslinie (nicht bezeichnet/nicht dargestellt) für die jeweiligen Schwingkreise 10 denkbar.
  • Abweichend weist ein System 500 aufweisend eine Mehrzahl von Induktionsheizvorrichtungen 100, insbesondere aufweisend drei Induktionsheizvorrichtungen 100, in Figur 2 eine Mehrzahl von Schalteinrichtungen 30, auf, insbesondere eine Anzahl von Schaltvorrichtungen 30, welche der Anzahl von Induktionsvorrichtungen 100 entspricht, insbesondere drei Schaltvorrichtungen 30, wobei das System sechs Schwingkreise 10 zur Erwärmung eines metallischen Guts (nicht dargestellt) aufweist.
  • Entsprechend weist das System 500 aufweisend eine Mehrzahl von Induktionsheizvorrichtungen 100 auch eine Mehrzahl von Energieversorgungseinrichtungen 20 auf, insbesondere eine Anzahl von Energieversorgungseinrichtungen 20, welche der Anzahl von Induktionsvorrichtungen 100 entspricht, insbesondere drei Energieversorgungseinrichtungen 20.
  • Gemäß der Ausführungsform in Figur 2 sind die Schalteinrichtungen 30 jeweils im Bereich der Wechselstromübertragung 29 der Induktionsheizvorrichtung 100 angeordnet.
  • Jede Energieversorgungseinrichtung 20 weist zumindest jeweils einen Trennschalter 22 und zumindest einen Wechselrichter 28 auf, wobei jeder Wechselrichter 28 jeweils mittelbar über eine Schaltvorrichtung 30 mit zumindest jeweils zwei Schwingkreisen 10 verbunden ist.
  • In Abhängigkeit der Ausführung einer elektrischen Stromversorgung (nicht dargestellt) kann eine Energieversorgungseinrichtung 20 auch einen Transformator 24 und/oder einen Gleichrichter 26 aufweisen, wobei ein Gleichrichter unmittelbar mittels einer Gleichstromübertragung 27 und/oder einem Gleichstromwandler (nicht dargestellt) mit einem Wechselrichter 28 verbunden sein kann.
  • Jede Schaltvorrichtung 30 weist zumindest zwei Schalter 32 auf, welche einen Verbindungszustand zwischen einem Wechselrichter 28 und jeweils einem Schwingkreis 10 einstellbar machen.
  • Viele Produktionslinien (nicht dargestellt) werden für unterschiedliche herzustellende und/oder zu verarbeitende metallische Güter (nicht dargestellt) installiert, sodass eine gewisse Flexibilität der Produktionslinie in der technischen Ausstattung, insbesondere in der Menge und/oder der Positionierung von Induktionsheizvorrichtungen 100 wünschenswert/gegeben ist. Hierdurch erhöhen sich jedoch auch die Investitionskosten für eine Produktionslinie. Die hier vorgeschlagene Induktionsheizvorrichtung 100 weist eine Schaltvorrichtung 30 innerhalb der Energieversorgungseinrichtung 20 auf, wodurch eine Mehrzahl von Schwingkreisen alternierend oder intermittierend oder, sofern die Schwingkreise 10 elektrisch gleich konfiguriert sind, gleichzeitig von einer gemeinsamen Energieversorgungseinrichtung 20 versorgt und/oder betrieben werden können. Dies ermöglicht eine Reduzierung der notwendigen Investitionskosten gegenüber dem Stand der Technik.
  • Entsprechend kann durch die hier vorgeschlagene Induktionsheizeinrichtung 100 die Anzahl von Schwingkreisen 10, denen von der Energieversorgungseinrichtung 20 elektrische Energie alternierend und/oder intermittierend oder gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden kann, größer sein als die Anzahl der Energieversorgungseinrichtungen 20.
  • Ein System 500 aufweisend eine Mehrzahl von Induktionsheizvorrichtungen 100, insbesondere aufweisend drei Induktionsheizvorrichtungen 100, in Figur 3 weist ebenfalls eine Mehrzahl von Schalteinrichtungen 30 auf, insbesondere eine Anzahl von Schaltvorrichtungen 30, welche der Anzahl von Induktionsvorrichtungen 100 entspricht, insbesondere drei Schaltvorrichtungen 30, wobei das System sieben Schwingkreise 10 zur Erwärmung eines metallischen Guts (nicht dargestellt) aufweist. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Figur 2 sind die Schaltvorrichtungen 30 hier im Bereich der Gleichstromübertragung 27 angeordnet.
  • Entsprechend ist mit jedem Schwingkreis 10 jeweils ein Wechselrichter 28 mittels einer Wechselstromübertragung 29 verbunden. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass jeder individuelle Schwingkreis 10 über seinen individuell zugeordneten Wechselrichter 28 individuell gesteuert und/oder geregelt werden kann.
  • Entsprechend kann die die Anzahl von Schwingkreisen 10, denen von der Energieversorgungseinrichtung 20 elektrische Energie alternierend und/oder intermittierend oder gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden kann und welche der Anzahl von Wechselrichtern 28 entspricht, größer sein als die Anzahl der Gleichrichter 26 und die Anzahl der der Trennschalter 22 und/oder der Transformatoren 24.
  • Ein System 500 aufweisend eine Mehrzahl von Induktionsheizvorrichtungen 100, insbesondere aufweisend zwei Induktionsheizvorrichtungen 100, in Figur 4 weist ebenfalls eine Mehrzahl von Schaltvorrichtungen 30 auf, insbesondere eine Anzahl von Schaltvorrichtungen 30, welche der Anzahl von Induktionsvorrichtungen 100 entspricht, insbesondere zwei Schaltvorrichtungen 30, wobei das System sieben Schwingkreise 10 zur Erwärmung eines metallischen Guts (nicht dargestellt) aufweist.
  • Eine erste Induktionsheizvorrichtung 100 ist dabei derart ausgebildet, dass jeweils zwei Schwingkreise 10 am vorderen Ende einer Produktionslinie (nicht dargestellt) und am hinteren Ende der Produktionslinie angeordnet sind. Unter anderem sei daran gedacht, dass die am vorderen Ende angebrachten Schwingkreise 10 paarweise alternierend oder intermittierend zu den am hinteren Ende angebrachten Schwingkreisen 10 betrieben werden können.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Schwingkreis
    20
    Energieversorgungseinrichtung
    22
    Trennschalter
    24
    Transformator
    26
    Gleichrichter
    27
    Gleichstromübertragung
    28
    Wechselrichter
    29
    Wechselstromübertragung
    30
    Schaltvorrichtung
    32
    Schalter
    40
    Behandlungseinrichtung
    42
    Bewegungsrichtung
    100
    Induktionsheizvorrichtung
    500
    System

Claims (16)

  1. Induktionsheizvorrichtung (100) zur Erwärmung eines metallischen Gutes, insbesondere eines Halbzeugs und/oder eines Vorprodukts und/oder eines Zwischenprodukts und/oder eines Produkts aus Eisen-, Stahl- und/oder einem Nichteisenmetall-Werkstoff, aufweisend:
    • eine Anzahl von zumindest zwei Schwingkreisen (10), insbesondere drei, vier, fünf, sechs oder mehr Schwingkreise (10), zur Erzeugung je eines Magnetfeldes zur Erwärmung des metallischen Gutes, und
    • eine Energieversorgungseinrichtung (20) zur Versorgung der Schwingkreise (10) mit elektrischer Energie aufweisend:
    • einen Trennschalter (22) zum Anschluss der Induktionsheizvorrichtung (100) an eine elektrische Stromversorgung, und
    • zumindest einen Wechselrichter (28), insbesondere zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Wechselrichter (28), zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom zur Energieversorgung eines Schwingkreises (10),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Energieversorgungseinrichtung (20) eine Schaltvorrichtung (30) aufweist, wobei die Schaltvorrichtung (30) dazu eingerichtet ist, eine zumindest mittelbare Energiekopplung zwischen dem Trennschalter (22) und den Schwingkreisen (10) zu ermöglichen, wobei eine Anzahl gleichzeitig energiekoppelbarer Schwingkreise (10) kleiner ist als die Anzahl der Schwingkreise (10) der Induktionsheizvorrichtung (100).
  2. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschalter (22) zum Anschluss der Induktionsheizvorrichtung (100) an eine Gleichstromversorgung eingerichtet ist.
  3. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    • der Trennschalter (22) zum Anschluss der Induktionsheizvorrichtung (100) an eine Wechselstromversorgung eingerichtet ist, und dass
    • die Energieversorgungseinrichtung (20) zwischen dem Trennschalter (22) und dem zumindest einen Wechselrichter (28) zumindest einen Gleichrichter (26), insbesondere zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Gleichrichter (26), zur Umwandlung eines Wechselstroms in einen Gleichstrom zur Energieversorgung des zumindest einen Wechselrichters (28) aufweist.
  4. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung (20) zwischen dem Trennschalter (22) und dem zumindest einen Gleichrichter (26) einen Transformator (24) aufweist.
  5. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung (20) zwischen dem Trennschalter (22) und dem zumindest einen Wechselrichter (28), insbesondere zwischen dem zumindest einen Gleichrichter (26) und dem zumindest einen Wechselrichter (28), eine Glättungsschaltung aufweist.
  6. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung (20) zwischen dem Trennschalter (22) und dem zumindest einen Wechselrichter (28), insbesondere zwischen dem zumindest einen Gleichrichter (26) und dem zumindest einen Wechselrichter (28), eine Gleichstromwandler aufweist.
  7. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltvorrichtung (30) zwischen einem Gleichrichter (26) und zumindest zwei Wechselrichtern (28) angeordnet ist, wobei die Schaltvorrichtung (30) dazu ausgebildet ist,
    • eine Energiekopplung zwischen dem Gleichrichter (26) und genau einem Wechselrichter (28) herzustellen,
    und/oder
    • eine Energiekopplung zwischen dem Gleichrichter (26) und einer Gruppe von Wechselrichtern (28) herzustellen, insbesondere eine Energiekopplung zwischen dem Gleichrichter (26) und einer Teilmenge der Gruppe von Wechselrichtern (28).
  8. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltvorrichtung (30) zwischen einem Wechselrichter (28) und zumindest zwei Schwingkreisen (10) angeordnet ist, wobei die Schaltvorrichtung (30) dazu ausgebildet ist,
    • eine Energiekopplung zwischen dem Wechselrichter (28) und genau einem Schwingkreis (10) zur Erzeugung eines Magnetfeldes herzustellen,
    und/oder
    • eine Energiekopplung zwischen dem Wechselrichter (28) und einer Gruppe von Schwingkreisen (10) zur Erzeugung von jeweils einem Magnetfeld herzustellen, insbesondere eine Energiekopplung zwischen dem Wechselrichter (28) und einer Teilmenge der Gruppe von Schwingkreisen (10).
  9. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizvorrichtung (100) mechanisch verfahrbar ausgebildet ist und/oder zumindest teilweise mechanisch verfahrbar ausgebildet ist.
  10. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung (20) mechanisch verfahrbar ausgebildet ist und/oder zumindest teilweise mechanisch verfahrbar ausgebildet ist.
  11. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwingkreis (10) für eine Längsfeldinduktion und/oder eine Querfeldinduktion ausgebildet ist.
  12. Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Verbindung zwischen einem Wechselrichter (28) und einem Schwingkreis (10) mittels einer fluidgekühlten Stromschiene ausgebildet ist, insbesondere einer zur Innenkühlung mit einem Fluid eingerichteten Stromschiene.
  13. System (500) aufweisend eine Mehrzahl von Induktionsheizvorrichtungen (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
  14. Produktionslinie zur Herstellung und/oder Verarbeitung eines metallischen Gutes, insbesondere eines Halbzeugs und/oder eines Vorprodukts und/oder eines Zwischenprodukts und/oder eines Produkts aus Eisen-, Stahl- und/oder einem Nichteisenmetall-Werkstoff, aufweisend eine Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder ein System gemäß Anspruch 13.
  15. Verfahren zum Betrieb einer Induktionsheizeinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Schwingkreise (10) an verschiedenen Stellen in einer Produktionslinie abwechselnd und/oder intermittierend abwechselnd betrieben werden.
  16. Verwendung einer Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung und/oder Verarbeitung eines metallischen Gutes, insbesondere eines Halbzeugs und/oder eines Vorprodukts und/oder eines Zwischenprodukts und/oder eines Produkts aus Eisen-, Stahl- und/oder einem Nichteisenmetall-Werkstoff.
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