SE421163B - Induktionsugn - Google Patents

Description

U! #0 1aoa1s2f0 inre av den smälta metall ken gällen att den samtidiga medför uppträdande av virvlar i det I prakti som befinner sig i degeln. närvaron i en punkt av den smälta metallen av en inducerad strömtäthet, representerad av en vektor 3, och av ett magnetiskt fält, representerat av en vektor É, (vars reciproka vektor i det följande betecknas ÉK) medför uppkomsten av en volymkraft f, vil- ken bestämmes av vektorprodukten: i F = pRe (Û x ÉK} vari p betecknar den magnetiska permeabiliteten och Re ÄÛ x ÉKS utgör den reella delen av vektorn (Ü'x Ét). _ i iDenna volymkraft Fiär roterande, och intensiteten av dess virvel, representerad av vektorn W, har värdet: _ W = rot f = šïf Re{Je HS? +_j Euz wc (H: Hp - Hc H: ) (1) Denna ekvation betecknar indices p, 6 och c de radiella, tangentiella och axiella komposanterna av en vektor, r betecknar badets radie, w betecknar frekvensen, och o betecknar den elektriska ledningsförmågan hos den smälta metallen.

Det är känt, att i ugnar med enfasig lindning, såsom den i figur l visade, är Ü noll eller har ett lågt värde vid halva höjden av det smälta badet, och att dess tangentiella komposant wa (vilken ensam skiljer sig från noll) ökar mot badets övre och nedre delar, med ett skiljaktigt tecken i vardera av de två de- larna.i Tecknet ar olika, eftersom i fallet med den enfasiga lindningen, H: är av motsatt tecken i de två hälfterna, och den första termen i ekvationen (1) överväger i förhållande till den andra. :Dessa betingelser åskâdliggöres i diagrammen i figurerna H-6. Dessa diagram visar som funktion av höjden hos badet 2 i degeln § komposanten HE (fig. H), komposanten Hp (fíß- 5) och komposanten wá, beräknad enligt formel (1), bestämda i ett prak- tiskt fall och angivna i en given skala.

Resultatetav detta år, att två virvlar Å och 5 med mot- satta tecken uppkommer i badet 2, den ena i den lägre delen och den andra i den övre delen., Den i den övre delen medför uppträ- dandet av en upphöjning 6 på badets yta.

I induktionsugnar, vid vilka användes en trefaslindning med progressivt fält, är tre spolar (fig. 2) förbundna med exem- pelvis ett system med trefasspänningænm.ÜR, ÜS ocb ÜT (fíg. 5) och genomlöpes av strömmarna ÉR, ïs och ïT, vilka är fasförskjut- na med l20° i förhållande till varandra. Det är redan känt, exempelvis från den franska patentskriften 1 240 309, att även 40 7808132-0 \_~. åstadkomma ett progressivt fält medelst ett system med spänning- ar och strömmar som är fasförskjutna med 60° i förhållande till varandra. Dessa strömmar utbildar ett magnetiskt fält som är be- roende av den geometriska anordningen av spolarna och kärnor av magnetiskt järn för styrning av flödet (ej visade). Det magnetis- ka fältet uppvisar en övervägande komposant som är progressívt vågformig. Denna fortskridande våg av det magnetiska fältet för- skjuter sig uppåt eller nedåt, beroende av ordningsföljden nos faserna R, S och T.

Det är känt att det progressiva magnetfältet ger upphov till en virvel Ü, vars tangentiella komposant He (den enda intressanta, eftersom Wo iocn WC principiellt är noll) har samma tecken i hela det smälta metallbadet. en samlad virvelrörelse 7 (fig. 2), och vid badets övre yta upp- kommer antingen en upphöjning 6 eller en fördjupning, vilken Härigenom uppkommer icke visas, beroende på ordningsföljden hos faserna R, S och T.

En förhöjning uppkommer när det magnetiska fältet fortskrider nedåt, och en fördjupning när det magnetiska fältet fortskrider uppåt-.

Det är likaledes känt att åtminstone delvis kompensera de verkningar som åstadkommer virvelrörelser medelst två strömkäl- lor med olika frekvens, såsom exempelvis beskrives i den franska patentskriften 767 2ü9. Dessa strömmar med olika frekvens kan antingen cirkulera i olika lindningar, eller strömtillförseln från de två strömkällorna kan på oberoende sätt regleras i vis- sa delar av ugnens lindning.

Föreliggande uppfinning har till syftemål att starkt minska höjden hos den upphöjning eller djupet hos den fördjup- ning vid badets yta som åstadkommas av de inducerade elektromag- netiska krafterna utan att därvid erfordra två strömkällor med olika frekvens.

Enligt uppfinningen innefattar en indukticnsugn en degel med vertikal axel och inneslutande ett bad av smält metall, samt omgiven av en flerfasig lindning i flera spolar som är inrättade utefter degelns längd, och innefattar anordningar av vissa delar av lindningen som kan åstadkomma rörelser i metallbadet, samt kännetecknas av att spelarna i den flerfasiga lindningen är an- ordnade i två grupper, nämligen n spolar vid den övre delen av degeln och n' spolar vid den nedre delen av degeln, varvid de n övre spolarna matas från ett flerfasigt system med n spänningar 7808132-0 '- H0 Ä Ûl..;Ün, vilka uppvisar en motriktad komposant Ûí som är försumbar i förhållande till en medriktad komposant Û¿ i ett uppåtríktat vand- ringsfält och en nollkomposant Üo, varvid förhållandet UO/Ud är så inställt, att de tangentiella virvelkomposanter som åstadkommes av dels nollkomposanten och dels av den medriktade komposanten är av motsatta tecken och har amplituder av samma storleksordning och företrädesvis då är lika stora, åtminstone i den övre delen av badet, medan samtidigt de n' lägre spolarna matas från ett flerfasigt system med n' spänningar Üí...Ûå, vilka uppvisar en medriktad komposant gå som är försumbar i förhållandet till en motriktad komposant Uí i ett nedâtriktat vandringsfält och en noll- nollkomposant Uå, varvid förhållandet Uè/Uå är så inställt, att de tangentiella virvelkomposanter som âstadkommes av dels noll- e komposanten och dels den motriktade komposanten är av motsatta tecken och har amplituder av samma storleksordning, och företrä- desvis då är lika stora, åtminstone i den nedre delen av badet.

Ett sådant utförande av induktionsugnen medför en kombina- tion av stationära fält och vandringsfält som möjliggör att åter- föra virveln till relativt låga värden på grund av kompenseringen av inverkan av de två fälten, med den följden att upphöjningen på badets yta minskas i förhållande till vad den Skulle ha varit med en enfasig spole med samma effekt eller med en flerfasig spole med vandringsfält och Samma effekt.

Uppfínningen åskådliggöres närmare i det följande under hänvisning till den medföljande ritningen. I denna utgör fig. 1 och 2 schematiska sektionsvyer av induktionsugnar, och fig. 3 visar vektordiagram. Fig; U-6 utgör diagram över fysikaliska storheter som funktion av badets höjd i degeln. Fig. 7 utgör en schematisk sektionsvy av en ugn enligt uppfinningen, och fig. 8-11 utgör sammanställningar av vektordiagram. Fig. 12-16 utgör kopp- língsscheman över strömmatningen till ugnens lindningar, och fig. 17-19 utgör diagram över fysikaliska storheter som funktion av badets höjd. g o Enligt en första variant av uppfinningen består induk- tionsugnens lindning av sex spolar, betecknade A, B, C, D, E och F. Bland dessa utgör A, B och C de övre lindningarna och D, E och F de lägre lindningarna (fig. 7). Antalet lindningsvarv kan vara lika eller olika i spolarna.

De tre övre lindningarna A,iB och C är förbundna med ett system med tre matningsspänníngar UA, UB och UC, vilka uppvisar 50 7808132-0 en medriktad komposant Üd, en motriktad komposant Üi och en noll- komposant Üo, definierade i det följande för systemet ÜA, ÛB och UC (fig. 8) och i det generaliserade fallet för ett flerfasigt system ÜK = Û1, Û2...Ûn: a) den medriktade komposanten (vilken åstadkommer ett uppåtriktat vandríngsfält): n å: k=1 b) för den motriktade komposanten (vilken åstadkommer ett nedåt- k-1 V 2 ' u 1 + - Ûd = a( )Ûk; u=exp (-å¿); for n=5: Ûd = ï(UA+aÜB+a2Ûc) riktat vandringsfält): -+ _j_n U. - H Z 1 u(1'k)Ü - för n = 3: Û. = k=1 ,-1-> _ k, 1 (ÛA + a UB + a 2UC) vilt-ß cü nollkomposanten (vilken åstadkommer ett statíonärt fält): F* 1-14 __ + -r ( )Ük; for n 3 U0 = É (UA + ÜB + Ü ll Enligt uppfinningen är Ûi försumbar i förhållande till den medriktade komposanten Ûd och nollkomposanten ÛO, och förhål- . landet Uo/Ud mellan nollkomposanten och den medriktade komposan- ten väljes så, att de tangentiella komposanterna weo och Wed för de virvlar WO och Wd som åstadkommes dels av det stationära fäl- tet EO och dels av vandringsfältet för den medriktade komposan- ten Ud vid matningen av spolarna med de trefasiga spänningârna, är av motsatta tecken och har lika amplituder (eller åtminstone av samma storleksordning) i den övre delen av badet, alltså: W = -W 60 Gd I detta fall sker allt i den övre hälften av badet som om en kom- pensation förelåg mellan två effekter: a) en första effekt, härrörande från nollkomposanten ÛO är analog med den som åstadkommes av en enfasig lindning med stationärt fält, dvs främst uppträdandet av en upphöjning på badets övre yta; b) en andra effekt, härrörande från den medriktade komposanten Üd, och som är analog med den som åstadkommas av en trefasig lindning med nedåtriktat vandringsfält, dvs främst uppträdandet av en för- djupning vid badets övre yta.

Förhållandet Uo/Ud väljes så, att de två effekterna kompen- serar varandra. och som ?5 H0 7808132-0 6 r Dessa betingelser kan exempelvis uppfyllas om det flerfa- siga systemet innefattar tre spänningar som är förskjutna med elektriska vinklar som år lika med eller mindre än 90° från en i förhållande till den följande, så att en grupp av tre vektorer ibildas i samma halvplan, där de två yttre vektorerna är väsent- ligt kortare än den mellanliggande vektorn (fig. 8 och fiß' ä).

Enligt den första varianten av uppfinningen är även de tre nedre lindningarna D, E och F förbundna med tre matningsspän- ningar 5D, ïïE och ÉF, :är vilka de medriktade Üå, motriktade Üí och nollkomposanterna Uå uppfyller de tre följande villkoren (fig. 8): ' _' ' a) den medriktade komposanten Üå är försumbar i förhållan- de till den motriktade komposanten Üí, så att följaktligen det nedâtriktade vandringsfältet överväger,_ _ b) nollkomposanten Üå är icke försumbar i förhållande till den motriktade komposanten Ûí, I * c) förhållandet Uå/Uí för amplituderna av nollkomposanten och den medriktade komposanten väljes så, att de tangentiella kom- posanterna Wšo och wåi för de virvlar Wá och Wi som åstadkommas av dels de spolar som matas av Uà och dels av de spolar som matas 3 av de trefasspänningar som är förbundna med den motriktade kom- posanten Ûí är av motsatta tecken och har lika amplitud (eller åtminstone av samma storleksordning i badets lägre del), alltså Wåo = -Wèi.

I detta fall föreligger ring mellan samma effekter som i den övre_hälften och vice versa.

I hela det smälta badet är följaktligen den virvelrörelse som orsakas av närvaron av virveln Û vid konstant värmningsef- fekt avsevärt minskad i förhållande till vad den skulle vara i fallet med en enfasspole, med alla de fördelar som är förbundna med frånvaron av upphöjningen eller åtminstone med en minskning i badets undre hälft en kompense- av dess höjd.

En andra variant av uppfinningen (fig. vilket de spolar som upp- 9) utgöres av ett specialfall av den första varianten, i tager symmetriska lägen i förhållande till ett normalplan till degelns axel som åtskiljer den övre delen och den undre delen ma- tas med spänningar av samma fas, alltså: a) ÛA och ÛF har samma fas (med lika eller olika amplituder), b) ÛB och ÜE'har samma fas och är fasförskjutna med 60° i + r _ förhållande till UA. ” 13 U0 7808132-0 c) ÜC och ÜD har samma fas och är fasförskjutna med 600 1 förhållande till ÜB och med l2o° i förhållande till ÛÅ. d) de ifrågavarande amplituderna hos spänningarna väljes så, att de följande relationerna uppfylles så väl som möjligt: Neo = -Wed och Wšo -Wèi I detta fall är det mycket lätt att förbinda de sex spo- larna med ett trefasigt matningsnät.

En tredje variant av uppfinningen (fig. 10) utgöres av ett annat specialfall av den första varianten, i vilket a) ÛA och ÛF b) ÛB och ÛE har samma fas och är fasförskjutna med 93° i förhållande till ÛA c) ÜC och ÛD har samma fas och är Sasförskjutna med l50° 1 förhållande till ÛA d) de ifrågavarande amplituderna hos spänningarna väljes så, att följande relationer uppfylles så väl som möjligt: Weé = Wed och Wåo = -Wèi * I detta fall är det mycket lätt att förbinda de sex spo- har samma fas (med lika eller olika anplituder) larna med ett tvåfasigt matningsnät.

En fjärde variant av uppfinningen erhålles genom att i de tre föregående varianterna en av spelarna i varje hälft avlägsnas, exempelvis spelarna A och F (fig. 7). Ehuru uppfyllandet av kom- penseringsbetingelserna i denna fjärde variant endast kan genom- föras ofullständigt, är denna kompensering tillräcklig för upp- nående av den önskade verkan, dvs en väsentlig minskning av upp- Anordningen av lindningarna i denna fjärde variant De spänningar Ü? höjningen. och deras matning åskådliggöres av figur 12. och ÛQ som matar lindningarna P och Q vid degelns övre del är fasförskjutna För- hållandet är lika för de spänningar Ûfi och Ûå som matar lind- ningarna P' och Q' vid den nedre delen. I vardera av ugnens de- lar erhålles en överlagring av två effekter: a) en effekt, härrörande från nollkomposanten, vilken i badets såsom visas i vektordiagramnen i figur ll. övre del åstadkommer en omblandning nedåt vid periferin och upp- åt vid axeln, och som vid den nedre delen åstadkommer en bland- ning uppåt vid periferin och nedåt vid axeln. b) en effekt, härrörande från den vandringsfältkomposant hos mag- netfältet som âstadkommes av fasförskjutningen mellan å ena si- dan de två spänningarna UP och UQ och å andra sidan Ûè och Ûè (fig. 11). I den övre delen är denna vandringsfältkomposant rik- UI HO _av kompensationen av virveleffekterna. 1308132-o tad uppåt, och i badets nedre del är den nedåtriktad. I rakti- P i 1 _) ~ u v _ v .i Ken ligger UQ, vilken matar den ovre linaningen Q, efter for- hållande till Û? och åstadkommer en omblandning uppåt vid badets Å andra sidan ligger Uå,+vilken matar den nedre lindningen Q' efter i förhållande till Uš och åstadkommer en omblandning nedåt vid periferin och uppåt vid ba- dets axel.

Genom en lämplig inställning av fasförskjutningen mellan dels spänningarna ÛP och ÜQ och dels Üé och Üå, liksom även av förhållandet mellan deras amplituder under beaktande av varvan- talet i varje lindning är det möjligt att i mycket stor utsträck- ning kompensera dessa båda effekter och minska inverkan av om- blandningen i det smälta badet till ett icke störande värde.

Figurerna 13, lä, 15 och 16 visar andra kopplingsscheman 1:5 periferi och neoat vid axeln. för matningen av lindningarna. -I dessa scheman år varje lindning parallellkopplad med en avstämningskondensator 8 för att kompen- sera den reaktiva effekten. ' Dessa scheman skiljer i fråga om sättet att åstadkomma fasförskjutningarna mellan spänningarna ÛP,.ÜQ, Ûš och Üå, dels medelst induktionsspolar 9, som fallet är i figurerna 13, 15 och 16, dels medelst kondensatorer 10, som fallet är i figur 14.

Eftersom enligt vektordíagrammet (fig. ll) spänningarna Ü? och Ûš är i fas, kan de erhållas från samma källa och matarspolarna P och P' antingen i serie (fig. 16) eller parallellt (fig. 13-15).

Enligt schemat i figur 16 kan den spänning som matar de yttre lindningarna Q och Q' uttagas från en autotransformator med ut- tag ll. Detta möjliggör en inreglering av amplituden hos spän- ningarna ÜQ och Üå i förhållande till ÜP och ܧ för optimering Försök har visat, att med ett schema som uppvisar fördelen av en reglering av amplitu- den såsom visas i figur 16 är det möjligt att mycket väl neutra- lisera de ofördelaktiga verkningarna av den homopolära komposan- ten genom den från den progressiva komposanten vid olika höjder i badet.

Diagrammen figurerna 17-19 är uppgjorda i samma skala i 6 Denna jämfö- som i figurerna U- och skall jämföras med dessa. relse visar att för tvâ fält av ekvivalenta homopolära fält, åskådliggjorda av diagrammen för de axiella komposanterna Hg (fia. U och 17) är den tangentiella virvelkomposanten We (fig. 19) för den utföringsform som visas i figur ll avsevärt mindre 7808132-0 p. (f ha 3. 6) för den icke kompense- rade utföríngsform som visas i figur än den tangentiella komposanten ” bl Andra varianter kan även genomföras med utgående från den första genom ändring av antalet faser från 5 till ett annat antal N. I detta fall föreligger i varje halva av ugnen N spolar, för- bundna med ett system av N växelspänningskällor med bestämda fa- ser och amplituder, där de direkta, inverse och homopolära kompo- santerna uppfyller de betingelser som definierets i det föregåen- de för fallet 1 den första varianten. -..-.._--_---_---..--------

Claims (5)

7303132-0 _" ._ , U _ 1 10 Patentkrav _

1. Induktionsugn, innefattande en degel (3) med vertikal axel och innehållande ett bad (2) av smält metall, samt omgiven av en flerfasig lindning av flera spolar (Å-F), inrättade utefter degelns längd och innefattande anordningar av vissa delar av lind- ningen som kan åstadkomma rörelser i metallbadet, k ä n n e - t e c k n a d därav, att spolarna (A-F) i den flerfasiga lind- ningen är anordnade i två grupper med n spolar vid den övre delen av degeln och n' spolar vid den nedre delen av degeln, att de n övre spolarna är matade från ett flerfasigt system med n spän- ningar Ü1...Ûn, vilket uppvisar en motriktad komposant Üí som är försumbar i förhållande till en medriktad komposant Ud i ett uppåt- riktat vandríngsfält och en nollkomposant Üo, varvid förhållandet U0/Ud är så valt, att tangentiella virvelkomposanter som är åstad- komna av dels nollkomposanten och dels den medriktade komposanten är av motsatta tecken och har amplituder av samma storleksordning och företrädesvis lika stora, åtminstone i badets övre del, och att samtidigt de n' nedre spolarna är matade från ett flerfasigt system av n' spänningar Ü{...Üš, vilket uppvisar en medriktad komposant Uå som är försumbar i förhållande till en motríktad komposant Uí i ett nedåtíikšat vandringsfält och en nollkomposant Uè, varvid förhållandet Uå/Uš är så valt, att de tangentiella virvelkomposanter som är åstadkomna av dels nollkomposanten och dels den motriktade komposanten är av motsatta tecken och har amplítuder av samma storleksordníng och företrädesvis då är lika, åtminstone i den nedre delen av badet.

2. Ugn enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d pdärav, att degeln är omgiven av tre övre spolar (A-C) och tre nedre spolar (D-F), och att de flerfasiga systemen av spänningar innefattar tre spänningar som är sinsemellan förskjutna med elektriska vink- lar som är lika med eller mindre än 900, så att en grupp av tre spänningsvektorer är bildad i en och samma halvplan och de två yttre vektorerna är väsentligt kortare än vektorn i mitten.

3. Ugn enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att degeln är omgiven av två övre spolar och två nedre spolar, och att endast två faser är använda i vart och ett av de flerfasiga spänningssystemen, vilka är två- eller trefasiga.

4. Ugn enligt något av krav 1-3, k ä n n e t e c k n a d därav, att de spolar som upptager symmetriska lägen i förhållande 7808132-0 11 till ett met degelns axel vinkelrätt plan som skiljer den övre och den nedre delen åt är matade med spänningar av samma fas.

5. Ugn enligt något av krav 1-4, k ä n n e t e c k n a d därav, att amplituden hos de spänningar som matar spolarna vid den övre resp den nedre änden är reglerbar i förhållande till ampli- tuden hos de spänningar som matar de mellanliggande spelarna.