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Hochfrequenzofen mit einer gittergesteuerten Elektronenröhre und einer zur Gleichstromspeisung der Elektronenröhre dienenden
Gleichrichtervorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochfrequenzofen mit einer rückgekoppelten gittergesteuerten Elektronenröhre und einer für die Gleichstromspeisung der Elektronenröhre dienenden Gleichrichtervor- richtung mit einem durch die Netzwechselspannung gespeisten Speisetransformator, bei dem jedes Ende einer Sekundärwicklung über einen Gleichrichter mit der ersten Gleichstromspeiseleitung verbunden ist, während die zweite Gleichstromspeiseleitung über eine Verbindungsleitung mit einem Symmetriepunkt der Sekundärseite des Speisetransformators verbunden ist. Die Gleichrichtervorrichtung kann hiebei zum Gleichrichten einer einphasigen oder einer dreiphasigen Speisewechselspannung ausgebildet sein.
Für die verschiedenen Anwendungen besteht bei solchen Hochfrequenzöfen neben einer Regelung der Ausgangsleistung für die Hochfrequenzerhitzung von Werkstücken unterschiedlicher Art und Grösse auch das Bedürfnis, einen bestimmten Erhitzungsverlauf zu bewirken. Insbesondere wird z. B. zum Härten. hoch- wertiger legierter Stähle, für das Gettern von Elektronenröhren u. dgl. zusammen mit der allmählichen Erhitzung eine kurzzeitige, schnelle Erhitzung verlangt, die wenige Sekunden oder wenige Zehntel Sekunden dauern kann.
Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die sich in der Praxis durch ihre Einfachheit und ihre günstigen Eigenschaften vorteilhaft auszeichnet.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Gleichstromspeiseleitung und jedem der Enden der Sekundärwicklung des Speisetransformators auch ein steuerbarer Gleichrichter angebracht ist und dass jeder steuerbare Gleichrichter an einem Steuerspannungsgenerator verbunden ist, der die Freigabe und Sperrung des steuerbaren Gleichrichters steuert, während in der Verbindungsleitung zwischen Symmetriepunkt der Sekundärseite des Speisetransformators und der zweiten Gleichstromspeiseleitung ein Gleichrichter angebracht ist, der mit der zweiten Gleichstromspeiseleitung in der gleichen Stromdurchlassrichtung verbunden ist, wie die mit dieser Gleichstromspeiseleitung verbundenen steuerbaren Gleichrichter.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachstehend an Hand der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Hochfrequenzofen nach der Erfindung, während Fig. 2 einen beim Hochfrequenzofen nach Fig. 1 anzuwendenden Steuerspannungsgenerator darstellt.
Fig. 1 zeigt einen Hochfrequenzofen für induktive Erhitzung nach der Erfindung, der z. B. für eine Leistung von 6 kW eingerichtet ist.
In dieser Anlage wird die für Erhitzungszwecke erforderliche Hochfrequenzenergie einem Elektronenröhrenoszillator mit einer. Triode 1 entnommen. Der abgestimmte Anodenkreis des als Colpitts-Schaltung ausgebildeten Oszillators ist mit einem die Oszillatorfrequenz bestimmenden Schwingungskreis 2 versehen, der eine Kreisspule 3 und eine aus vier in Reihe geschalteten Kondensatoren 4, 5, 6,7 bestehende Kreiskapazität enthält, wobei die Anode der Röhre 1 mit dem Verbindungspunkt der Kondensatoren 4 und 5 verbunden ist, während die Rückkopplungsspannung dem Kondensator 7 entnommen wird, dessen eines Ende über einen Kondensator 8 an der Kathode der Röhre 1 und dessen anderes Ende über einen Kondensator 9 am Steuergitter der Röhre l liegt, welches über den Gitterwiderstand 10 mit der Kathode verbunden ist.
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Die beim Schwingen erzeugte Hochfrequenzenergie wird über eine Kopplungsspule 11 mit geerdeter Mittelanzapfung einer Arbeitsspule 12 zugeführt, in der ein zu erhitzende Werkstück 13 angeordnet ist.
Bei der beschriebenen Vorrichtung wird die Gleichstromspeisung der Triode 1 über in den Gleichstromspeiseleitungen liegenden Hochfrequenzdrosselspulen 14 und 15 der Anode und der Kathode der Triode 1 zugeführt, während der Verbindungspunkt der Kreiskondensatoren 5 und 6, der auch die Mittelanzapfung des kapazitiven Spannungsteilers 4, 5,6, 7 bildet, an Erde liegt, so dass die Enden der Kreisspule 3 in bezug auf Erde die halbe Kreisspannung führen. Infolgedessen kann der Abstand zwischen der Kreisspule 3 und der Kopplungsspule 11 ohne Isolationsschwierigkeiten klein gehalten werden, wodurch sich eine erhebliche Herabsetzung der Streuverluste in dem aus der Kreisspule 3 und der Kopplungsspulell bestehenden Ausgangstransformator ergibt.
Zur Hochfrequenzerhitzung von Werkstücken unterschiedlicher
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sie in der USA-Patentschrift Nr. 2, 662, 162 angegeben ist.
Die Speisegleichspannung der Triode 1 wird einer Gleichrichtervorrichtung entnommen, die durch eine dreiphasige Wechselspannung von z. B. 3 X 380 V gespeist wird. Die Gleichrichtervorrichtung ist mit einem Speisetransformator mit in Dreieck geschalteten Primärwicklungen 16, 17,18 und in Stern geschalteten Sekundärwicklungen 19, 20,21 versehen, wobei das Ende jeder Sekundärwicklung 19, 20,21 über eine Diode 22,23, 24 mit der ersten Gleichstromspeiseleitung 25 und der Sternpunkt 26 über eine Verbindungsleitung27 an die zweite Gleichstromspeiseleitung 28 angeschlossen ist, die ein Glättungsfilter mit einer Reihendrosselspule 29 und einem Querkondensator30 enthält Hiebei ist der Verbindungspunkt 31 der Verbindungsleitung 27 und der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28 an Erde gelegt.
Zur Bedienung der Gleichrichtervorrichtung ist an die Klemmen 32 einer einphasigen Wechselspannungsquelle von z. B. 220 V ein Bedienungskreis angeschlossen, der die Reihenschaltung eines Bedienungschalters 33 und der Erregerwicklung eines Relais A enthält, dessen Relaiskontakte a < , a2, aux in den Zuführungen 34, 35, 36 für die Speisewechselspannung zu den Primärwicklungen 16, 17,18 des Speisetrans- formators liegen. Wird der Bedienungsschalter 33 geschlossen, so wird das Relais A erregt und die Speisewechselspannung der Gleichrichtervorrichtung zugeführt, während umgekehrt, wenn der Bedienungsschalter 33 geöffnet wird, der Speisekreis der Gleichrichtervorrichtung unterbrochen wird.
Um den bisher geschilderten Hochfrequenzofen, der sich zur Hochfrequenzerhitzung von Werkstücken unterschiedlicher Art und Grösse eignet, auf einfache Weise auch für ein sehr schnelles Erhitzungsverfahren, wie es z. B. zum Härten von Stahl verlangt wird, geeignet zu machen, ist gemäss der Erfindung zwischen der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28 und jedem der Enden der Sekundärwicklungen 19,20, 21 des Speisetransformators auch ein steuerbarer Gleichrichter 37,38 bzw. 39 angebracht und jeder steuerbare Gleichrichter 37, 38, 39 mit einem Steuerspannungsgenerator 40 verbunden, der die Freigabe und Sperrung des steuerbaren Gleichrichters 37, 38 bzw.
39 steuert, während in der Verbindungsleitung 27 zwischen dem Symmetriepunkt der Sekundärseite des Speisetransformators und der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28 ein Gleichrichter (Diode 41) angebracht ist, der mit der zweiten Gleichstromspeiselei- tung28 in der gleichen Stromdurchlassrichtung verbunden ist, wie die mit dieser Gleichstromspeiseleitung verbundenen steuerbaren Gleichrichter 37, 38,39.
Bei der beschriebenen Ausführungsform bestehen die steuerbaren Gleichrichter 37. 38,39 aus Gasentladungsröhren mit Steuerelektroden in Form von Thyratrons, deren Steuerelektroden über Widerstän-
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liegen,nerator 40 verbunden ist. während der Steuerspannungsgenerator einen Schalter 46 mit zwei Schaltkontakten 47, 48 enthält, wobei der Schaltkontakt47 mit der Minusklemme 49 einer Vorspannungsquelle und der Schaltkontakt 48 mit einer an Erde gelegten Klemme 50 verbunden ist.
Die Wirkungsweise der geschilderten Vorrichtung wird jetzt näher erläutert, wobei von dem Zustand ausgegangen wird, in dem der Schalter 46 des Steuerspannungsgenerators 40 mit der Minusklemme 49 der Vorspannungsquelle verbunden ist. In diesem Zustand sind die Thyratrons 37, 38, 39 durch die Vorspannungsquelle 49 gesperrt. Der dann zwischen der Gleichstromspeiseleitung 25, 28 wirksame Gleichrichterkreis besteht aus den Sekundärwicklungen 19. 20,21 des Speisetransformators, den Dioden 22, 23,24 und der die Diode 41 enthaltenden Verbindungsleitung 27-zwischen dem Stempunkt 26 der Sekundärwicklungen 19, 20, 21 und der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28, die bei der angegebenen Stromdurchlassrichtung eine leitende Verbindung für den erzeugten Speisegleichstrom bildet.
Am Ausgangskondensator 30 des Glättungsfilters ergibt sich durch Gleichrichtung in den Dioden 22, 23, 24 eine Speisegleichspannung von z. B. 4500 V, die dem Hoehfrequenzofen l als Speisespannung zugeführt wird.
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nimmt zu, wodurch die Spannung des Sternpunktes26 des Transformators gezwungen wird, sich gegenüber Erde in negativer Richtung zu verschieben, so dass die Diode 41 in der Verbindungsleitung 27 zwischen dem Sternpunkt 26 und der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28 gesperrt wird. Im Gleichrichterkreis sind jetzt zusammen mit den Dioden 22,23, 24 die Thyratrons 37,38, 39 wirksam, und es ergibt sich am Ausgangskondensator 30 des Glättungsfilters 29, 30 eine Speisegleichspannung von etwa 9000 V, die das Zweifache der Speisespannung im vorstehenden Fall ist.
Auf diese Weise kann die Ausgangsleitung des Hochfrequenzofens um den Faktor vier gesteigert werden und diese Steigerung führt eine sehr schnellerhitzung des Werkstückes 13 in der Arbeitsspule 11 herbei.
Wird jetzt der Schalter 46 des Steuerspannungsgenerators 40 zum Schaltkontakt 47 zurückgeschaltet, so werden die Thyratrons 37,38, 39 durch die negative Vorspannung der Vorspannungsquelle 49 gesperrt.
Die Spannung am Ausgangskondensator 30 des Glättungsfilters 29,30 nimmt dadurch ab, wobei in dem Zeitpunkt, in dem der Stempunkt 26 der Sekundärwicklungen 19, 20,21 Erdpotential annimmt, die Diode 41 in der Verbindungsleitung 27 vom Stempunkt 26 zur zweiten Gleichstromspeiseleitung28 durchlässig wird, so dass der aus den Dioden 22,23, 24 und den Sekundärwicklungen 19,20, 21 zusammen mit der jetzt leitenden Verbindung27 zwischen dem Stempunkt26 und der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28 bestehende Kreis wiederum als Gleichrichtervorrichtung wirkt.
Wie vorstehend erläutert, wirkt die Diode 41 als Schalter, der bei Bedienung des Schalters 46 des Steuerspannungsgenerators 40 genau im richtigen Zeitpunkt gesperrt und freigegeben wird, wodurch Ausgleichsstrv e, die bei Schaltvorgängen auf hohem Leistungsniveau sehr hohe Werte annehmen können, völlig vermieden werden.
Die beschriebene Vorrichtung zeichnet sich durch eine weiche Regelung aus, so dass auch infolge der einfachen Bauart und Bedienung diese praktische Anwendung besonders vorteilhaft ist.
Wichtig ist weiter, dass in den beiden Betriebszuständen der geschilderten Vorrichtung. nämlich dem Betriebszustand, in dem die Dioden 22, 23, 24 zusammen mit den Thyratrons 37,38, 39 wirksam sind, und dem Betriebszustand, in dem nur die Dioden 22, 23,24 wirksam sind, eine gegenseitige unabhängige Speisegleichstromüberwachung auf einfache Weise erzielbar ist, denn im ersten Falle ist die Leitung 27 vom Sternpunkt26 der Sekundärwicklungen 19, 20,21 zum Verbindungspunkt 31 mit der zweiten Gleichstromspeiseleitung infolge der Sperrung der Diode 41 stromlos, während im zweiten Falle die Leitung 51 vom Verbindungspunkt 31 zu den Thyratrons 37, 38, 39 infolge der dabei auftretenden Sperrung dieser Thyratrons 37,38, 39 stromlos ist.
Um somit in diesen beiden Fällen den höchstzulässigen Speisegleichstrom zu überwachen, sind an die Leitungen 27 bzw. 51 Maximalrelais B bzw. C mit Ruhekontaktenb bzw. c im Bedienungskreis der Gleichrichtervorrichtung angeschlossen, wobei die Erregerwicklungen der Relais B bzw. C Reihenwiderstände 52 bzw. 53 überbrücken, die zur Einstellung des Ansprechwertes der Relais B und C einstellbar ausgebildet sind. Übersteigt z. B. der Speisegleichstrom in einem der obenerwähnten Fälle seinen höchstzulässigen Wert. so spricht das Relais B bzw. das Relais C an, wodurch das Bedienungsrelais A abfällt und die Speisewechselspannung der Primärwicklungen 16,17 und 18 des Speisetransformators abgeschaltet wird.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass die Isolation und mithin der Abstand zwischen der Kreisspule 3 und der Kopplungsspule 11 für die höchste auftretende Kreiswechselspannung bemessen sein müssen, d. h. im dargestellten Ausführungsbeispiel für die Kreiswechselspannung, die zur Speisegleichspannung von 9000 V gehört. Bei Anwendung der Massnahmen nach der Erfindung ist der in Fig. 1 dargestellte Hochfrequenzofen, bei dem eine Mittelanzapfung des Ausgangskreises 2 geerdet ist, besonders vorteilhaft, weil, wie vorstehend bereits erläutert wurde, die Streuverluste im Transformator 3, 11 erheblich herabgesetzt werden.
Fig. 2 zeigt einen in der Praxis eingehend geprüften Steuerspannungsgenerator, der in der Vorrichtung nach Fig. 1 vorteilhaft zum Härten von Stahl Verwendung finden kann. Diese Figur zeigt auch den Bedienungskreis der Gleichrichtervorrichtung, wobei der Fig. 1 entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Der Steuerspannungsgenerator ist mit zwei Zeituhren 54 bzw. 55 versehen, die je mit einem Elektromotor 56 bzw. 57, einem Einstellzeiger 58 bzw. 59, einem zwischen Erde 60 und der Minusklemme 61 einer Speisespannungsquelle liegenden Schaltrelais D bzw. E und einem Kupplungsmagneten 62 bzw. 63 versehen sind, wobei die maximale Einstellzeit der Zeituhr 54 z. B. 100 Sekunden und die maximale Einstellzeit der Zeituhr 55 1 Sekunde beträgt. Das Schaltrelais D ist mit einem Arbeitskontakt d im Speise-
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Arbeitskontakt d. in einem Haltekreis 64 des Relais D und einem Umschaltkontakt d4 versehen, mittels dessen die Klemme 65, die mit der Steuerspannungsleitung 45 (vgl. Fig. 1) verbunden ist, an Erde 60 oder an die Minusklemme 61 der Speisespannungsquelle gelegt werden kann.
Das Schaltrelais E enthält einen Ruhekontakt el im Speisekreis des Kupplungsmagneten 63, einen Arbeitskontakt e, in einem Halte-
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kreis 66 des Relais E und einen Ruhekontakt e im Bedienungskteis des Hochfrequenzofens.
Zur Bedienung des Steuerspannungsgenerators ist im Bedienungskreis des Hochfrequenzofens ein Druckschalter 67 angebracht, der durch einen Haltekreis 68 des Bedienungsrelais A unddenimHaltekreis liegenden Ruhekontakt e des Relais E der Zeituhr 55 überbrückt ist. Für die Bedienung des Steuerspannungsgenerators ist das Bedienungsrelais A auch mit zwei zusätzlichen Arbeitskontakten versehen, u. zw. einem Arbeitskontakt a4 im Haltekreis 68 des Bedienungsrelais A und einem Arbeitskontakt as'der die Speisespannung der Klemmen 60,61 mit dem Steuerspannungsgenerator koppelt.
Wenn ein Werkstück 13 in der Arbeitsspule 12 gehärtet werden soll, wird für die allmähliche Erhitzung des Werkstückes 13, die die Bildung von Karbiden fördert, die Zeituhr 54 mittels des Einstellzei- gers 58 auf einen erwünschten Wert, z. B. 10 Sekunden, eingestellt, während für eine rasche Erhitzung zum Härten des Werkstückes 13 der Einstellzeiger 59 der Zeituhr 55 auf z. B. 0, 8 Sekunden eingestellt wird.
Wenn jetzt der Druckschalter 67 eingedrückt wird, spricht das Bedienungsrelais A an, der Speisewechselspannungskreis wird geschlossen ebenso wie der Haltekreis 68 des Relais A über den Kontakt a4'so
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rend der Steuerspannungsgenerator über den Arbeitskontakt a, mit der Speisespannungsquelle 60,61 verbunden wird. In diesem Zustand sind die Thyratrons 37, 38,39 gesperrt und das Werkstück 13 wird all- mahlich erhitzt, der Kupplungsmagnet 62 wird erregt und kuppelt den Einstellzeiger 58 mit der Welle des Elektromotors 56.
Nach Ablauf der Einstellzeit der Zeituhr 54 wird das Relais D über den Einstellzeiger 58 erregt und von seinem Haltekreis 64 im erregten Zustand gehalten, der Speisekreis des Kupplungsmagne- ten 62 wird unterbrochen, der Speisekreis der zweiten Zeituhr 55 wird geschlossen und die Steuerspannungsleitung der Thyratrons 37,38, 39 an Erde gelegt.
Wie bereits vorstehend erläutert, werden infolgedessen die Thyratrons 37, 38, 39 gezündet, so dass jetzt, weil die Ausgangsleistung des Hochfrequenzofens auf den vierfachen Wert gesteigert ist, eine schnelle Erhitzung des Werkstückes 13 während einer Zeitdauer, die durch die Einstellzeit der zweiten Zeituhr 55 bestimmt wird, erfolgt. Es wird nämlich beim Schliessen des Speisekreises der zweiten Zeituhr 55 der Kupplungsmagnet 63 erregt, so dass der Einstellzeiger 59 mit der Welle des Elektromotors 57 gekuppelt wird, wodurch nach der Einstellzeit der Zeituhr 55 das Relais E erregt wird und über einen Haltekreis 66 erregt bleibt und der Haltekreis 68 des Bedienungsrelais A und der Speisekreis des Kupplungmagneten 63 unterbrochen werden.
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ab,tung und der Speisekreis 60,61 des Steuerspannungsgenerators unterbrochen werden.
Die geschilderte Vorrichtung ist hiemit in die ursprüngliche Lage zurückgekehrt, wonach der beschriebene Zyklus sich wiederholen kann.
Wievonder Patentinhaberin festgestellt wurde, kann zur kurzzeitigen Steigerung der Ausgangsleistung auf den vierfachen Wert für eine schnelle Erhitzung des Werkstückes 13 der Hochfrequenzofen ohne Schaden für die Betriebssicherheit überlastet werden. Z. B. kann beim angegebenen Hochfrequenzofen, der, wie vorstehend bereits erwähnt, für eine Leistung von 6 kW eingerichtet ist, die Ausgangsleistung kurzzeitig auf 24kW gesteigert werden, sofern nur die Zeitdauer dieser Überlastung einen bestimmten Grenz- wert nicht überschreitet und auch dafür gesorgt ist, dass das Verhältnis zwischen der Überlastungsdauer und der Zeitdauer einer normalen Erhitzung nicht über einen bestimmten Grenzwert, z. B. 20%, hinausgeht.
Diese beiden Bedingungen können einfach dadurch erfüllt werden, dass einmal die maximale Einstellzeit der Zeituhr 55 kleiner als der zur Überlastungsdauer gehörende Grenzwert gewählt wird und zum andem dafür gesorgt wird, dass die minimale Einstellzeit der Zeituhr 54 nicht unter eine gewisse Mindestzeit, z. B. 5 Sekunden, sinken kann.
Ohne Schaden für die Betriebssicherheit kann im beschriebenenAusführungsbeispiel dieZeitdauer der Überlastung von der Grössenordnung von einigen Sekunden gewählt werden, so dass der angegebene Hochfrequenzofen kurzzeitig die vierfache Leistung liefern kann, für die sonst ein Hochfrequenzofen der vierfachen Leistung erforderlich wäre-, dessen Anschaffungs-und Wartungskosten ein Vielfaches derjenigen des Hochfrequenzofens nach der vorliegenden Erfindung betragen. Innerhalb dieser kurzen Zeitdauer von höchstens wenigen Sekunden erfolgt eine weiche Umschaltung, ohne dass dabei störende Nebenerscheinun- gen wie Funkenbildung oder Ausgleichsströme auftreten.
In der Praxis genügt eine sehr rasche Erhitzung während weniger Sekunden reichlich für die vorkommenden Anwendungen, so dass die Erfindung eine interessante Erweiterung der Verwendungsmöglichkeiten von Hochfrequenzöfen möglich macht.
Nachstehend werden die Angaben der bei einem in der Praxis ausgeführten Hochfrequenzofen mit
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einer Schaltungsanordnung nach Fig. l, der für eine Leistung von 6kW eingerichtet ist, verwendeten Röh- ren erwähnt.
Triode 1 : Philips 2 X TBW 7/8000. Thyratrons 37,38, 39 : 3XDCG 6/6000.
Dioden 22,23, 24 : Philips 3 X DCG 5/5000. Diode 41 : 1 X DCG 6/18.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass die beschriebene Massnahme auch vorteilhaft bei Hochfrequenzöfen für dielektrische Erhitzung, z. B. zum Erhitzen vonKunststoffenu. dgl., Anwendung finden kann. Weiter sei erwähnt, dass die Gleichrichtervorrichtung auch zum Gleichrichtern einer einphasigen Wechselspannung
Verwendung finden kann, in welchem Falle der Symmetriepunkt an der Sekundärseite des Speisetransfor- mators von einer Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Speisetransformators gebildet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochfrequenzofen mit einer rückgekoppelten gittergesteuerten Elektronenröhre und einer für die
Gleichstromspeisung der Elektronenröhre dienenden Gleichrichtervorrichtung mit einem durch die Netz- wechselspannung gespeisten Speisetransformator, bei dem jedes Ende einer Sekundärwicklung über einen Gleichrichter mit der ersten Gleichstromspeiseleitung verbunden ist, während die zweite Gleichstromspeiseleitung über eine Verbindungsleitung mit einem Symmetriepunkt der Sekundärseite des Speisetransfor- mators verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Gleichstromspeiseleitung und jedem der Enden der Sekundärwicklung des Speisetransformators auch ein steuerbarer Gleichrichter angebracht ist und dass jeder steuerbare Gleichrichter mit einem Steuerspannungsgenerator verbunden ist,
der die Freigabe und Sperrung des steuerbaren Gleichrichters steuert, während in der Verbindungsleitung zwischen dem Symmetriepunkt der Sekundärseite des Speisetransformators und der zweiten Gleichstromspeiseleitung ein Gleichrichter angebracht ist, der mit der zweiten Gleichstromspeiseleitung in der gleichen Stromdurchlasstichtung verbunden ist wie die mit dieser Gleichstromspeiseleitung verbundenen steuerbaren Gleichrichter.
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High-frequency furnace with a grid-controlled electron tube and one serving to supply the electron tube with direct current
Rectifier device
The invention relates to a high-frequency furnace with a feedback grid-controlled electron tube and a rectifier device serving for the direct current supply of the electron tube with a supply transformer fed by the mains AC voltage, in which each end of a secondary winding is connected to the first direct current supply line via a rectifier, while the second DC feed line is connected via a connecting line with a symmetry point of the secondary side of the feed transformer. The rectifier device can be designed to rectify a single-phase or a three-phase AC supply voltage.
For the various applications of such high-frequency ovens, in addition to regulating the output power for high-frequency heating of workpieces of different types and sizes, there is also the need to bring about a specific heating process. In particular, z. B. for hardening. high-quality alloyed steels, for gettering electron tubes etc. Like. Together with the gradual heating, a short-term, rapid heating required, which can last a few seconds or a few tenths of a second.
The aim of the invention is to provide a device of the type mentioned at the outset which is advantageously distinguished in practice by its simplicity and its favorable properties.
The device according to the invention is characterized in that a controllable rectifier is attached between the second direct current feed line and each of the ends of the secondary winding of the feed transformer and that each controllable rectifier is connected to a control voltage generator which controls the enabling and disabling of the controllable rectifier while In the connection line between the symmetry point of the secondary side of the feed transformer and the second DC feed line, a rectifier is attached, which is connected to the second DC feed line in the same current flow direction as the controllable rectifier connected to this DC feed line.
The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the figures.
FIG. 1 shows a high-frequency furnace according to the invention, while FIG. 2 shows a control voltage generator to be used in the high-frequency furnace according to FIG.
Fig. 1 shows a high frequency furnace for inductive heating according to the invention, the z. B. is set up for an output of 6 kW.
In this system, the high frequency energy required for heating purposes is supplied to an electron tube oscillator with a. Triode 1 removed. The tuned anode circuit of the oscillator designed as a Colpitts circuit is provided with an oscillating circuit 2 which determines the oscillator frequency and which contains a circular coil 3 and a circular capacitance consisting of four capacitors 4, 5, 6, 7 connected in series, the anode of the tube 1 with the junction of the capacitors 4 and 5 is connected, while the feedback voltage is taken from the capacitor 7, one end of which is connected to the cathode of the tube 1 via a capacitor 8 and the other end via a capacitor 9 to the control grid of the tube 1, which is connected to the Grid resistor 10 is connected to the cathode.
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The high-frequency energy generated during oscillation is fed via a coupling coil 11 with an earthed center tap to a work coil 12 in which a workpiece 13 to be heated is arranged.
In the device described, the direct current feed of the triode 1 is fed to the anode and the cathode of the triode 1 via high-frequency inductors 14 and 15 located in the direct current feed lines, while the connection point of the circular capacitors 5 and 6, which is also the center tap of the capacitive voltage divider 4, 5.6 , 7 forms, is connected to earth, so that the ends of the circular coil 3 with respect to earth carry half the circular voltage. As a result, the distance between the circular coil 3 and the coupling coil 11 can be kept small without insulation difficulties, which results in a considerable reduction in the leakage losses in the output transformer consisting of the circular coil 3 and the coupling coil.
For high-frequency heating of workpieces of different
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it is set forth in U.S. Patent No. 2,662,162.
The DC supply voltage of the triode 1 is taken from a rectifier device, which is generated by a three-phase AC voltage of z. B. 3 X 380 V is fed. The rectifier device is provided with a supply transformer with delta-connected primary windings 16, 17, 18 and star-connected secondary windings 19, 20, 21, the end of each secondary winding 19, 20, 21 via a diode 22, 23, 24 with the first direct current supply line 25 and the star point 26 is connected via a connecting line 27 to the second direct current feed line 28, which contains a smoothing filter with a series inductor 29 and a shunt capacitor 30. The connection point 31 of the connecting line 27 and the second direct current feed line 28 are connected to earth.
To operate the rectifier device, a single-phase AC voltage source of z. B. 220 V an operating circuit is connected, which contains the series connection of an operating switch 33 and the excitation winding of a relay A, the relay contacts a <, a2, aux in the leads 34, 35, 36 for the AC supply voltage to the primary windings 16, 17,18 des Supply transformer. If the operating switch 33 is closed, the relay A is energized and the AC supply voltage is supplied to the rectifier device, while conversely, if the operating switch 33 is opened, the feed circuit of the rectifier device is interrupted.
In order to use the high-frequency furnace described so far, which is suitable for high-frequency heating of workpieces of different types and sizes, in a simple manner also for a very fast heating process, as is e.g. B. for hardening steel is required to make suitable, a controllable rectifier 37,38 and 39 and each controllable rectifier is attached according to the invention between the second direct current feed line 28 and each of the ends of the secondary windings 19, 20, 21 of the feed transformer 37, 38, 39 connected to a control voltage generator 40, which enables and disables the controllable rectifier 37, 38 and
39 controls, while a rectifier (diode 41) is attached to the connecting line 27 between the symmetry point of the secondary side of the feed transformer and the second direct current feed line 28, which is connected to the second direct current feed line 28 in the same current flow direction as the controllable ones connected to this direct current feed line Rectifier 37,38,39.
In the embodiment described, the controllable rectifiers 37, 38,39 consist of gas discharge tubes with control electrodes in the form of thyratrons, the control electrodes of which have resistors.
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lie, generator 40 is connected. while the control voltage generator contains a switch 46 with two switching contacts 47, 48, the switching contact 47 being connected to the negative terminal 49 of a bias voltage source and the switching contact 48 being connected to a terminal 50 connected to earth.
The mode of operation of the device described will now be explained in more detail, starting from the state in which the switch 46 of the control voltage generator 40 is connected to the negative terminal 49 of the bias voltage source. In this state, the thyratrons 37, 38, 39 are blocked by the bias voltage source 49. The rectifier circuit then effective between the direct current feed line 25, 28 consists of the secondary windings 19, 20, 21 of the feed transformer, the diodes 22, 23, 24 and the connecting line 27 containing the diode 41 - between the star point 26 of the secondary windings 19, 20, 21 and the second direct current feed line 28, which forms a conductive connection for the generated direct current feed in the specified current flow direction.
At the output capacitor 30 of the smoothing filter, rectification in the diodes 22, 23, 24 results in a DC supply voltage of z. B. 4500 V, which is fed to the high frequency furnace l as a supply voltage.
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increases, as a result of which the voltage at the neutral point 26 of the transformer is forced to shift in a negative direction with respect to earth, so that the diode 41 in the connecting line 27 between the neutral point 26 and the second direct current feed line 28 is blocked. In the rectifier circuit, together with the diodes 22, 23, 24, the thyratrons 37, 38, 39 are effective, and there is a DC supply voltage of about 9000 V at the output capacitor 30 of the smoothing filter 29, 30, which is twice the supply voltage in the above case .
In this way, the output line of the high-frequency furnace can be increased by a factor of four and this increase leads to very rapid heating of the workpiece 13 in the work coil 11.
If the switch 46 of the control voltage generator 40 is now switched back to the switching contact 47, the thyratrons 37, 38, 39 are blocked by the negative bias voltage of the bias voltage source 49.
The voltage at the output capacitor 30 of the smoothing filter 29, 30 thereby decreases, the diode 41 in the connecting line 27 from the star point 26 to the second DC feed line 28 becoming permeable at the point in time at which the star point 26 of the secondary windings 19, 20, 21 assumes ground potential, so that the circuit consisting of the diodes 22, 23, 24 and the secondary windings 19, 20, 21 together with the now conductive connection 27 between the star point 26 and the second direct current feed line 28 again acts as a rectifier device.
As explained above, the diode 41 acts as a switch which, when the switch 46 of the control voltage generator 40 is operated, is blocked and released at exactly the right time, thereby completely avoiding compensating currents, which can assume very high values during switching operations at a high power level.
The device described is characterized by a soft control, so that this practical application is particularly advantageous due to the simple design and operation.
It is also important that in the two operating states of the device described. namely the operating state in which the diodes 22, 23, 24 are effective together with the thyratrons 37, 38, 39, and the operating state in which only the diodes 22, 23, 24 are effective, a mutual independent supply direct current monitoring can be achieved in a simple manner is, because in the first case the line 27 from the star point 26 of the secondary windings 19, 20, 21 to the connection point 31 with the second direct current feed line due to the blocking of the diode 41 is currentless, while in the second case the line 51 from the connection point 31 to the thyratons 37, 38 , 39 is de-energized as a result of the blocking of this thyratron 37,38, 39 which occurs.
In order to monitor the maximum permissible direct current feed in these two cases, maximum relays B and C with break contacts b and c in the operating circuit of the rectifier device are connected to lines 27 and 51, respectively, with the excitation windings of relays B and C series resistors 52 and 53 bridge, which are designed to set the response value of relays B and C adjustable. Exceeds z. B. the supply direct current in one of the above-mentioned cases its maximum permissible value. the relay B or relay C responds, causing the operating relay A to drop out and the AC supply voltage to the primary windings 16, 17 and 18 of the supply transformer.
At this point it should be noted that the insulation and therefore the distance between the circular coil 3 and the coupling coil 11 must be dimensioned for the highest occurring circular alternating voltage, i. H. in the illustrated embodiment for the circuit alternating voltage, which belongs to the DC supply voltage of 9000 V. When applying the measures according to the invention, the high-frequency furnace shown in Fig. 1, in which a center tap of the output circuit 2 is grounded, is particularly advantageous because, as already explained above, the leakage losses in the transformer 3, 11 are considerably reduced.
FIG. 2 shows a control voltage generator which has been thoroughly tested in practice and which can advantageously be used in the device according to FIG. 1 for hardening steel. This figure also shows the operating circuit of the rectifier device, elements corresponding to those in FIG. 1 being denoted by the same reference numerals.
The control voltage generator is provided with two timers 54 and 55, each with an electric motor 56 and 57, a setting pointer 58 and 59, a switching relay D or E lying between earth 60 and the minus terminal 61 of a supply voltage source and a clutch magnet 62 or 63 are provided, the maximum setting time of the timer 54 z. B. 100 seconds and the maximum setting time of the timer 55 is 1 second. The switching relay D is equipped with a normally open contact d in the feed
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Working contact d. Provided in a hold circuit 64 of the relay D and a changeover contact d4, by means of which the terminal 65, which is connected to the control voltage line 45 (see. Fig. 1), can be connected to earth 60 or to the negative terminal 61 of the supply voltage source.
The switching relay E contains a normally closed contact el in the feed circuit of the clutch magnet 63, a normally open contact e, in a holding
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circuit 66 of the relay E and a normally closed contact e in the operating unit of the high-frequency furnace.
To operate the control voltage generator, a pressure switch 67 is mounted in the operating circuit of the high-frequency furnace, which is bridged by a holding circuit 68 of the operating relay A and the normally closed contact e of the relay E of the timer 55, which is in the holding circuit. To operate the control voltage generator, the operating relay A is also provided with two additional working contacts, u. between a working contact a4 in the holding circuit 68 of the operating relay A and a working contact as'der which couples the supply voltage of the terminals 60,61 with the control voltage generator.
If a workpiece 13 is to be hardened in the work coil 12, the timer 54 is set to a desired value by means of the setting indicator 58 for the gradual heating of the workpiece 13, which promotes the formation of carbides. B. 10 seconds, while for rapid heating to harden the workpiece 13, the setting pointer 59 of the timer 55 to z. B. 0, 8 seconds is set.
If the pressure switch 67 is now depressed, the operating relay A responds, the alternating supply voltage circuit is closed, as is the holding circuit 68 of the relay A via the contact a4'so
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The control voltage generator is connected to the supply voltage source 60, 61 via the normally open contact a. In this state, the thyratrons 37, 38, 39 are blocked and the workpiece 13 is gradually heated, the clutch magnet 62 is excited and couples the setting pointer 58 to the shaft of the electric motor 56.
After the setting time of the timer 54 has elapsed, the relay D is energized via the setting pointer 58 and held in the energized state by its holding circuit 64, the feed circuit of the clutch magnet 62 is interrupted, the feed circuit of the second timer 55 is closed and the control voltage line of the thyratron 37 , 38, 39 laid on earth.
As already explained above, the thyratrons 37, 38, 39 are ignited as a result, so that now, because the output power of the high-frequency furnace has increased to four times the value, rapid heating of the workpiece 13 during a period of time that is determined by the setting time of the second timer 55 is determined takes place. When the supply circuit of the second timer 55 closes, the clutch magnet 63 is excited so that the setting pointer 59 is coupled to the shaft of the electric motor 57, whereby after the setting time of the timer 55 the relay E is excited and remains excited via a holding circuit 66 and the holding circuit 68 of the operating relay A and the feed circuit of the clutch magnet 63 are interrupted.
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ab, processing and the supply circuit 60,61 of the control voltage generator are interrupted.
The described device has thus returned to its original position, after which the cycle described can be repeated.
As has been established by the patent proprietor, for a brief increase in the output power to four times the value for rapid heating of the workpiece 13, the high-frequency furnace can be overloaded without damage to operational safety. For example, with the specified high-frequency furnace, which, as already mentioned above, is set up for a power of 6 kW, the output power can be briefly increased to 24 kW, provided that the duration of this overload does not exceed a certain limit value and it is ensured that the ratio between the duration of the overload and the duration of normal heating does not exceed a certain limit, e.g. B. 20%.
These two conditions can be met simply by selecting the maximum setting time of the timer 55 to be less than the limit value associated with the overload duration and, on the other hand, ensuring that the minimum setting time of the timer 54 does not fall below a certain minimum time, e.g. B. 5 seconds, can sink.
In the exemplary embodiment described, the duration of the overload can be selected to be of the order of magnitude of a few seconds, without damage to operational safety, so that the specified high-frequency furnace can briefly deliver four times the power that would otherwise require a high-frequency furnace with four times the power - its acquisition and maintenance costs Multiples of that of the high frequency furnace according to the present invention. A smooth switchover takes place within this short period of at most a few seconds, without disruptive side effects such as sparks or equalizing currents occurring.
In practice, very rapid heating for a few seconds is ample sufficient for the applications that occur, so that the invention enables an interesting expansion of the possible uses of high-frequency ovens.
The following are the details of a high-frequency furnace used in practice
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a circuit arrangement according to FIG. 1, which is set up for an output of 6 kW, mentioned tubes used.
Triode 1: Philips 2 X TBW 7/8000. Thyratrons 37, 38, 39: 3XDCG 6/6000.
Diodes 22, 23, 24: Philips 3 X DCG 5/5000. Diode 41: 1 X DCG 6/18.
At this point it should be noted that the measure described is also advantageous in high-frequency furnaces for dielectric heating, e.g. For heating plastics etc. Like. Can find application. It should also be mentioned that the rectifier device can also be used to rectify a single-phase alternating voltage
Can be used in which case the point of symmetry on the secondary side of the supply transformer is formed by a center tap of the secondary winding of the supply transformer.
PATENT CLAIMS:
1. High-frequency furnace with a feedback grid-controlled electron tube and one for the
Direct current supply of the electron tube serving rectifier device with a supply transformer fed by the mains alternating voltage, in which each end of a secondary winding is connected to the first direct current supply line via a rectifier, while the second direct current supply line is connected via a connecting line to a point of symmetry on the secondary side of the supply transformer, characterized in that a controllable rectifier is also attached between the second direct current feed line and each of the ends of the secondary winding of the feed transformer and that each controllable rectifier is connected to a control voltage generator,
which controls the release and blocking of the controllable rectifier, while in the connection line between the point of symmetry of the secondary side of the feed transformer and the second DC feed line, a rectifier is attached which is connected to the second DC feed line in the same current flow direction as the controllable rectifier connected to this DC feed line.