Induktionsofen

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Ein Halbleiter-Induktionsofen für industriellen Betrieb
Ein Induktionsofen für Eisen bei einer Eisengießerei.

Induktionsöfen sind Geräte (Öfen), mit denen Metalle mithilfe der Induktiven Erwärmung erwärmt und geschmolzen werden können.

Ein Induktionsofen überträgt die Energie mittels eines Induktors beziehungsweise einer Spule. Diese Induktoren und Spulen gibt es in vielen Ausführungen und Variationen. Sie werden meistens für Werkstücke speziell angepasst und gefertigt.

Möglich wird dieses Erwärmen durch die Induktion eines Wirbelstromes in einen metallischen Leiter - dem zu erhitzenden Werkstück.

Induktionsöfen sind trotz der Verluste des oft zur Speisung erforderlichen Inverters/Umrichters effizienter als andere Erwärmungsmethoden, denn die Energie wird direkt in das Werkstück induziert, die Wärme entsteht also ausschließlich im Werkstück und muss nicht, wie bei anderen Methoden, durch Wärmeleitung, -strahlung oder Konvektion übertragen werden.

Die Induktoren weisen einen sehr niedrigen Leistungsfaktor auf. Daher enthalten fast alle Anlagen große Kondensatoren zur Blindleistungskompensation. So wird sichergestellt, dass das Netz oder der Umrichter nur Wirkleistung bereitstellen muss.

Vergleich / Einordnung der erreichbaren Leistungsdichte:

Erwärmungsart Leistungsflussdichte in W/cm2
Konvektion (Wärmemitnahme durch Molekularbewegung) 0,5
Strahlung (Elektroofen, Muffelofen) 8
Berührung, Wärmeleitung (Kochplatte, Salzbad) 20
Flamme (Brenner) bis >1000
Induktionserwärmung 30.000
Laser (Schweißen, Härten, Schneiden) >106

Anwendungsarten

Die industrielle Induktionserwärmung wird hauptsächlich für folgende Anwendungen gebraucht:

Induktionsöfen zum Erwärmen sind meistens Anlagen mit auf einer Seite montierter offener Spule oder mit einem Induktor, in den die zu erwärmenden Teile ein- oder durch ihn durchgeführt werden. Geräte mit Leistungen von einigen kW sind dabei als Tischgerät verfügbar, während große Anlagen, etwa zur Erwärmung von Schmiedestücken oder zum Erwärmen von Aluminium-Pressbolzen, Leistungen im Bereich mehrerer MW aufweisen und die Größe eines Containers haben können. Die Fortschritte in der Leistungselektronik haben in den vergangenen Jahrzehnten erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der Baugröße, des Wirkungsgrades und der Prozessführung ermöglicht.

In Gießereien dienen Induktionsöfen als Tiegelöfen zum Schmelzen von Gusseisen und anderen Metallen. Hier verursacht das Feld der Ofenspule nicht nur eine Erwärmung, sondern bei geeigneter Wahl der Frequenz auch eine Bewegung der Schmelze, etwa um Legierungsbestandteile untermischen zu können. Der Leistungsbereich solcher Anlagen erstreckt sich von 50 kW bis 16 MW, wobei bei Gusseisen Leistungsdichten von bis zu 1 MW je Tonne Ofeninhalt möglich sind.

Zum Erschmelzen hochlegierter Stähle existieren Induktionsöfen, die unter völligem Luftabschluss und somit unter Ausschluss von Oxidation arbeiten.

Rinnenöfen sind induktiv beheizte Aggregate, die sowohl beim Schmelzen von Nichteisenmetallen als auch als Speicher- und Warmhalteaggregat für Gusseisen zum Einsatz kommen.

Funktionsweise

Induktionsöfen bestehen aus einer Spule und einer Wechselstromquelle.

Induktionsspule

Eine wassergekühlte Induktionsspule hat ein Rohr zum Glühen gebracht

Kernstück des Induktionsofens ist die Induktionsspule. Die Induktionsspulen werden auch Induktoren genannt. Sie sind in der Regel wassergekühlt, da schon bei kleinen Anlagen (P > 5kW) Blindströme von bis zu 1.000 A auftreten. Der Induktor wird von Wechselstrom durchflossen, dadurch baut sich insbesondere in seinem Inneren ein magnetisches Wechselfeld auf. Das zu erwärmende oder zu schmelzende Material bildet quasi eine zweite, kurzgeschlossene Spule, in der eine Spannung induziert wird, die Wirbelströme zur Folge hat. Dieser Strom führt zu einer Erwärmung des Materials, wobei die Wärme nicht von der Oberfläche her in das Material gelangt, sondern in diesem selber entsteht.

Die Form des Induktors ähnelt einer Spule, ist jedoch je nach Anforderung geformt. Oft besteht die Spule aus Rohr (Wasserkühlung); beim Induktionskochfeld besteht sie aus Hochfrequenzlitze.

Magnetische Werkstoffe (Permeabilität μ = 100 bis 500) erwärmen sich aufgrund der zusätzlich zur Wirbelstrom-Erwärmung auftretenden Hysterese-Erwärmung (Ummagnetisierungsverlust) schneller als nicht magnetische (Permeabilität μ = 1).

Wechselstromquelle

Die elektrische Leistung wird aus dem Stromnetz bezogen. Im Gegensatz zu reinen Netzfrequenz-Anlagen und den für höhere Frequenzen früher eingesetzten rotierenden Frequenzumformern wird der Netzstrom z. B. mit einer Thyristor-Drehstrom-Gleichrichterbrücke in einen steuer- oder regelbaren Gleichstrom umgewandelt und über eine Gleichstrom-Glättungsdrossel einem Thyristor-Wechselrichter zugeführt, der den Gleichstrom in Einphasen-Wechselstrom mit der gewünschten Frequenz wandelt. Durch die Einschaltung einer entsprechend ausgelegten Kondensatorenbatterie wird die von der magnetischen Kopplung zwischen Spule und Charge abhängige Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung in der Ofenspule kompensiert, sodass der Wechselrichter nur die benötigte Wirkleistung liefern muss.

Da die Stromeindringtiefe abhängig von der Betriebsfrequenz ist, werden je nach Anwendung höhere Frequenzen erzeugt. Der Bereich der anwendbaren Frequenzen wird in Niederfrequenz (50 bis 500 Hz), Mittelfrequenz (0,5 bis 50 kHz) und Hochfrequenz (50 kHz bis 30 MHz) unterteilt, wobei die Eindringtiefen >8 mm im Niederfrequenzbereich und etwa 0,1 mm im Hochfrequenzbereich betragen. Die Abhängigkeit der Eindringtiefe als Funktion der Frequenz wird mit dem Skin-Effekt beschrieben.

Umrichter für Niederfrequenz arbeiten mittels Thyristor-Umrichter aus der Netzfrequenz. Im Mittel- bis unterem Hochfrequenzbereich werden Umrichter mit Leistungs-MOSFETs, MOS-Transistoren oder IGBT-Umrichter verwendet. Im MHz-Bereich kommen nach wie vor noch Senderöhren zum Einsatz.

Im ISM-Band um 27 MHz werden Leistungsoszillatoren mit der Huth-Kühn-Schaltung eingesetzt.

Je nach Ausführung des Induktionsgenerators beziehungsweise Umrichters muss der Induktor eine gewisse Induktivität aufweisen. Ist dies nicht der Fall, läuft der Umrichter unangepasst und die Leistung kann nicht richtig auf das zu erwärmende Werkstück übertragen werden.

Siehe auch

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