Leifert Induction | Systeme für induktives Erwärmen

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Technik

Wie arbeiten Induktionsanlagen?

Das wesentliche Kennzeichen der Induktionserwärmung gegenüber den anderen Erwärmungsverfahren ist die Tatsache, dass die Wärme unmittelbar im Werkstück erzeugt wird. Die Wärme braucht nicht durch Konvektion, Strahlung oder Wärmeleitung übertragen werden.
Die Effektivität und die übertragbare Leistung bieten große Vorteile und Möglichkeiten wie sie durch andere Erwärmungsarten, wie z. B. Ofen oder Flamme / Brenner, nicht erreicht werden:

  • Die Leistung des elektromagnetischen Wechselfeldes wird direkt im Werkstück in Wärme umgesetzt.
  • Eine hohe Energiedichte ermöglicht eine kurze Anwärmzeit und somit einen hohen   Materialdurchsatz.
  • Der Energieeintrag kann gezielt auf eine Erwärmungszone ausgerichtet werden.
  • Die hohe Reproduzierbarkeit der Erwärmung bietet eine gleich bleibende Fertigungsqualität.
  • Die kontrollierte Erwärmung kann leicht in eine Fertigungslinie integriert werden.

Die Induktionsanlagen bestehen aus 2 Komponenten. Dem Generator (Frequenzumrichter) und dem Induktor.

Grafik: Prinzipschaltbild Generator mit InduktorDer Generator ist als Resonanzumrichter mit einem Reihenschwingkreis ausgelegt. Die dreiphasige Netzspannung wird gleichgerichtet. Über den Gleichspannungszwischenkreis und dem ausgangsseitigen Wechselrichter wird der Induktor mit einer Mittelfrequenzspannung versorgt. Die Ausgangsfrequenz folgt der Resonanzfrequenz des Schwingkreises der aus dem Kondensator und der Induktivität des Induktors gebildet wird.

Der Induktor wird immer der Form des zu erwärmenden Werkstückes und des Temperaturprofils (Heizzone) angepasst. Wir unterscheiden die Induktoren je nachdem ob sich das Werkstück im Innen- oder im Außenfeld des Induktors befindet in Innenfeldinduktoren und Außenfeldinduktoren.

Warum haben wir uns für die Mittelfrequenz entschieden?

Grafik: Hysterese- und Wirbelstromverslute als Funktion der FrequenzDas magnetische Wechselfeld des Induktors erzeugt im Werkstück Wärmeverluste. Man unterscheidet bei der induktiven Erwärmung zwischen Wirbelstrom- und Hystereseverlusten. Die Wirbelstromverlustleistung Pw steigt mit der Frequenz zum Quadrat. Die Hystereseverlustleistung (Ummagnetisierungsverluste) Ph nimmt mit der Frequenz linear zu. Die Grafik verdeutlicht die Zunahme der Wärmeverluste Pv im Werkstück mit steigender Frequenz.

Warum haben wir uns für ein luftgekühltes System entschieden?

Der überwiegende Teil der Anwendungen für das induktive Erwärmen liegt im Bereich des induktiven Härten, Glühen, Schmelzen und Warmumformen. Die hier geforderten Temperaturen und Energiedichten lassen nur einen wassergekühlten Induktor zu. Nahe liegend wird somit die gesamte Induktionsanlage wassergekühlt ausgeführt.
Für das Schrumpfen und das Vorwärmen von Werkstücken werden in der Regel Temperaturen bis ca. 200 °C benötigt. Für diese Anwendungen stehen temperaturbeständige Materialien für die Induktoren zur Verfügung. Der von uns entwickelte und für die Induktionserwärmung optimierte Resonanzumrichter schaltet auch bei hohen Frequenzen besonders verlustarm. Die gesamte Induktionsanlage arbeitet mit einem Wirkungsgrad > 90 %. Die Umrichter- und Induktorverluste können über eine Luftkühlung abgeführt werden.

Vorteile der Mittelfrequenz

Das induktive Erwärmen mit einer Mittelfrequenz bietet gegenüber einer Induktionsanlage mit Netzfrequenz einige wesentliche Vorteile:

  • Die Mittelfrequenz führt zu einer höheren Verlustleistung im Werkstück. Der Induktorstrom und die Anzahl der Windungen können reduziert werden. Der Induktor wird wesentlich kleiner und handlicher.
  • Der magnetische Rückschluss (Transformatorprinzip) entfällt. Die magnetische Flussdichte wird nicht über Transformatorbleche begrenzt.  Die gesamte Induktionsanlage wird kleiner und leichter.
  • Bei großen und schweren Bauteilen braucht das Werkstück nicht bewegt werden. Der Induktor kann in oder um das Werkstück gesetzt werden.
  • Der Blindleistungsbedarf des Induktors wird über den Frequenzumrichter kompensiert. Der Netzanschluss wird dreiphasig mit der Wirkleistung belastet. Die Netzanschlussleistung liegt gegenüber einem Anwärmgerät mit Netzfrequenz wesentlich niedriger. Minimale Netzrückwirkungen
  • Ausgangsstrom, -spannung und -leistung des Frequenzumrichters werden überwacht. Der Lastkreis ist Leerlauf- und Kurzschlussfest. Der Induktor kann nicht überlastet werden.
  • Die Induktionsanlage arbeitet bei einer Frequenz f > 14 kHz völlig geräuschfrei.
  • Über den Induktor kann eine hohe Energiedichte in die Werkstückoberfläche eingebracht werden. Die induktive Erwärmung mit Mittelfrequenz eignet sich somit besonders für das Fügen und Lösen von Schrumpfverbindungen, sowie das Vorwärmen von Werkstücken.