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EuroWire – Mai 2007
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deutsch
Leiters zu fließen, bei einer Tiefe, die vom
Widerstand des Leiters, der Frequenz
des Wechselstroms und der effektiven
Permeabilität des Leiters abhängt. Die
effektive Stromeindringtiefe, in metrischer
Form, wird anhand nachfolgender Formel
bestimmt:
F
r
μ
π ρ
10
20
1
=
In der oben genannten Formel:
p = Stromeindringtiefe
r =Widerstand in Mikroohm-Zentimeter
µ = effektive Permeabilität
(µ = 1 für unmagnetische Werkstoffe)
Durch Auswahl der richtigen Frequenz,
kann
kontrolliert
werden,
welcher
Materialanteil
erwärmt
wurde,
mit
Hochfrequenzen, die niedrige Niveaus
effektiver Eindringung zur Folge haben
und mit Niederfrequenzen, die eine tiefere
Eindringung bewirken.
Mit der oben genannten Formel werden
zirka 90% der gesamten Wärme in der
Schichttiefe “p” hergestellt, mit größeren
Tiefen, die mittels Leitung durch das
Material erwärmt werden. Um jedenfalls
die höchste Wirkung durch das Erwärmen
zu erzielen, sollte die Überlappung der
Gegenströme vermieden werden, die in
den gegenüberliegenden Oberflächen des
Leiters fließen, um die Stromlöschung zu
verhindern.
Normalerweise sollte “p” unter der Hälfte
des Leiterradius liegen, obwohl diese
Vorgabe nicht immer angewandt wird.
Es
werden
auch
andere
Stromeindringtiefen
für
verschiedene
Materialien
und
Temperaturen
bei
unterschiedlichen Frequenzen angewandt.
Im
induktiven
Erwärmungsverfahren
wird eine Metallkomponente erwärmt,
die in oder neben einer Induktionsspule
angeordnet
wird,
indem
ein
Induktionsstrom durch die Spule fließt,
die wiederum einen anderen Strom
in die Komponente führt. Die Wärme
wird durch den Widerstand gegen den
genannten
Induktionsstrom
erzeugt,
entsprechend dem Gesetz I²R (wo I =
Strom und R = Widerstand ist) sowie
durch den Ummagnetisierungsverlust in
magnetischen Werkstoffen – eine Wirkung,
die bei der Curie-Temperatur (zirka
1.400°F/760°C) entfällt.
Stromauswahl (entsprechend
eines durchwärmten Drahts)
Mit einer richtig bestimmten Frequenz
und
geeigneten
ausgewählten
Stromversorgungseinheiten, ist danach
der Leistungsbedarf zu berücksichtigen,
wobei zunächst der Wärmeinhalt des
Leiters zu bestimmen ist. Der Wärmeinhalt
eines beweglichen Drahts ist lediglich
eine Funktion aus Massendurchsatz,
der
spezifischen
Wärme
und
des
Temperaturanstiegs. Jedoch kompliziert
sich diese scheinbar einfache Berechnung
durch die Tatsache, daß die spezifische
Wärme sich mit dem Temperaturanstieg
verändert. Nimmt man beispielsweise
einen mittelgekohlten Stahl, verändert sich
die spezifische Wärme durch einen Faktor
von 1,3 zwischen 68°F (20°C) und 1.022°F
(550°C) und 1,5 zwischen 68°F (20°C) und
1.652°F (900°C).
Demzufolge können bei der Bestimmung
des Wärmeinhalts zur Erwärmung von
gekohltem Stahl 1.022°F (550°C) und
1.652°F (900°C), als grobe Erfahrungsregel
spezifische Wärmefaktoren von 0,58 und
0,63 angesetzt werden. Nimmt man diese
Regel an, so entspricht der Wärmeinhalt
des auf 1.022°F (550°C) erwärmten
Drahts 2,31 x lb/min (1,05 x kg/min)
und bei 1.652°F (900°C) 4,27 x lb/min
(1,94 x kg/min), wobei das Ergebnis in
kW ausgedrückt wird. Nachdem der
Wärmeinhalt des Produkts bestimmt ist,
wird darauffolgend die Leistungsabgabe
der Stromversorgungseinheit bestimmt,
indem ein Wärmewirkungsgrad bezüg-
lich
des
Stromversorgungsausgangs
festgesetzt wird.
Wärmewirkungsgrad
Das typische Induktionssystem besteht
aus einer Stromversorgungseinheit, einem
Heizspulensystem
und
Einrichtungen
um die Heizspule (und den bearbeiteten
Draht) mit der Stromversorgungseinheit zu
„verbinden“. Die Stromversorgungseinheit
ist auch als Konverter, Inverter oder
Generator
bekannt.
Diese
Einheit
verwandelt eine 3-Phasen-Versorgung
von 50 oder 60 Hz in eine 1-Phasen-
Versorgung
mit
einer
nominalen
Ausgangsfrequenz zwischen 250Hz und
800kHz, und Ausgangsleistungen von
1kW bis 4MW, in einer großen Auswahl an
Netzfrequenzkombinationen.
Außerdem stehen auch einige Zwei-
frequenzkombinationen
zur
Verfüg-
ung. Diese Stromversorgungseinheiten
basieren sowohl auf Thyristoren wie
auf Transistoren.
Das Heizspulensystem, wie jenes, das
für
Drahterwärmungsanwendungen
benutzt wird, umfaßt ein Kupferrohr, das
spiralförmig gewickelt wird. Das Rohr kann
rund, viereckig oder rechteckig sein und
ist oft zusätzlich mit einem hartgelöteten
Kupferband im Innendurchmesser der
Spirale ausgestattet. Die Spulenlänge,
der Innendurchmesser, die Windungszahl
und der Prozentsatz an Kupfer gelten
gegenüber dem Freiraum entlang des
Innendurchmessers der Spirale alle als
wichtige Faktoren für den Wirkungsgrad.
Sämtliche
Stromversorgungseinheiten
werden innerhalb eines Frequenzbands
laufen, d.h. 7-11kHz, 20-25kHz und 40-50kHz
je für die nominalen Ausgangsfrequenzen
der 10kHz, 25kHz- und 50kHz-Einheiten.
Damit ein Betrieb innerhalb dieses Band
erreicht wird, wird die Spuleninduktivität
und
-betriebsspannung
sowie
die
Kapazitätsmenge(KVAR)imBehälterkreislauf
der Stromversorgungseinheit verändert,
um sich so spezifischen Drahtabmes-
sungen, Materialien, Durchsatzraten und
Temperaturen anzupassen.
Bild 1
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Drahtanlage mit Härte- und Vergütungsverfahren
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