Journal Dampf Heißluft

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L = Spuleninduktivität in (Henry)
L = Kondensatorkapazität in (Farrad)
Es gilt: fres ≈ √ 1 / (L · C)
oder in Worten: Durch Änderung der Schwingkreiskapazität
und/oder Schwingkreisinduktivität lässt sich eine beliebige
Frequenz einstellen.
Das ist auch der Grund für die weite Verbreitung dieser
Art von induktiven Erwärmungsanlagen. Die gewünschte
Eindringtiefe δ lässt sich über die Schwingkreisabstimmung
mittels Schwingkreisfrequenz exakt einstellen. Das
Ganze ist aber nicht immer trivial, weil der erforderliche
Schwingkreisumrichter die gewünschte Frequenzbandbreite
auch bereitstellen können muss! Faustregel: Mit Anstieg
der Anlagenleistung sinkt die Schwingkreisfrequenz.
Außerdem wird bei großen Leistungen mit Anstieg der
Frequenzbandbreite die ganze Angelegenheit aus wirtschaftlicher
Sicht uninteressant und technisch zum Overkill.
Aus diesem Grund werden die Schwingkreisumrichter
in Frequenz- und Leistungsbereiche gruppiert:
Bei Schwingkreisumrichter im Leistungsbereich (1,2 kW–
10 kW) kann die neue Gerätegeneration ein Frequenzband
von 150 kHz–400 kHz abdecken. In Verbindung
mit einem umschaltbaren Anpasstransformator zwischen
Wechselrichter und Schwingkreis sind diese Geräte
nun enorm anpassungsfähig im Hinblick auf Last- und
Schwingkreisanpassung. Dies ist bei Einzelstückerwärmung
mit ständig wechselnden Werkstoffen und Abmessungen
enorm wichtig und macht, wie Eingangs bereits
angedeutet, die Induktionserwärmung nun auch für den
Modellbau interessant.
Erwärmungsziel
Letztendlich bestimmt die gewünschte induktive Erwärmung
den erforderlichen Leistungs- und Frequenzbereich.
Dabei stehen Werkstoff, Abmessungen, Zieltemperatur
und gewünschter Durchsatz im Vordergrund.
Aus den Werkstoffangaben und Abmessungen können
die optimale Eindringtiefe und damit die optimale Frequenz
schnell bestimmt werden. Unter Berücksichtigung
des Nettoenergiebedarfs für die Erwärmung des gewünschten
Werkstoffs und den Richtwerten der zu erwartenden
Wirkungsgrade, lässt sich die zu installierende
Anlagenleistung ebenfalls schnell bestimmen. Damit
kommen wir nun zu der Hauptkomponente ... die Induktionsspule:
Induktionsspule
Die Induktionsspule auch Induktor genannt, erfüllt zwei
Aufgaben:
– Energieübertragung in das zu erwärmende Spulen-
Werkstück
– Bereitstellung der induktiven Komponente für den
Schwingkreis
Es gibt zwei grundsätzliche Lösungswege für die Induktorenauswahl:
1.) Die Induktorspule und der Umrichter werden „exakt“
auf das zu erwärmende Werkstück ausgelegt und
optimiert. Auf nachträgliche Änderungen reagiert diese
Variante extrem unflexibel. Bei Änderungen im Material/
Abmessungen sind immer neue Induktoren erforderlich.
Diese Variante wird im industriellen Bereich der Serienfertigung
angewandt.
2.) Die Induktorspule wird mäßig und der Umrichter
überdimensioniert auf das zu erwärmende Werkstück
ausgelegt. Nachträgliche Änderungen machen dann im
allg. keinen neuen Induktor erforderlich, da schlechtere
Wirkungsgrade in Folge unterschiedlicher Koppelabstände
durch den überdimensionierten Umrichter „weggebügelt“
werden. Diese Variante bietet sich insbesondere
im unteren Leitungsbereich als extrem praxistauglich für
Einzelerwärmungen an. Das auf den ersten Blick unsinnige
„Überdimensionieren“ des Umrichters ermöglicht ungeahnte
Lösungsvarianten. Für den Fall, dass örtlich begrenzte
Erwärmungszonen realisiert werden sollen, bietet
es sich an, mit sog. Abschirmungen zu arbeiten. Die, im
allgemeinen aus dünnem Cu-Blech gefertigten Abschirmungen,
verhindern die Ankopplung und Erwärmung von
Bereichen, was aus den verschiedensten Gründen erforderlich
sein kann.
Die in den Abschirmungen umgesetzte Wärme kann
„weggekühlt“ werden, muss aber vorher vom Umrichter
zusätzlich bereitgestellt werden. Außerdem kann das
Erwärmungsbild durch „Spielereien“ mit dem Koppelabstand
beliebig variiert werden. Daher sollte ein Umrichter
niemals auf die sog. „Kotzgrenze“ herunteroptimiert werden.
Der Mehrpreis für einen etwas größeren Umrichter
ist im Verhältnis zu einer Neuanschaffung völlig vertretbar.
Journal Dampf & Heißluft 4/2011 31