DE3342889C2 - Einrichtung zur induktiven Erwärmung von Werkstücken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum induktiven Erwärmen von Werkstücken mittels eines Parallel-Schwingkreis-Umrichters mit mehreren parallelgeschalteten, die Induktoren umfassenden Schwingkreisen. Um das in die Erwärmungsstrecke eingebrachte, eine gleichmäßige Temperatur aufweisende Werkstück auf eine vorgegebene Temperaturkurve über die Erwärmungsstrecke zu bringen, werden in Abhängigkeit von der Temperaturabweichung die den einzelnen Abschnitten der Erwärmungsstrecke zugeordneten Schwingkreise individuell ein- und ausgeschaltet, derart, daß den Schwingkreisen mit der größten Temperaturabweichung mehr Energie als den Schwingkreisen mit kleinerer Temperaturabweichung zugeführt wird, wobei die Summe der den Schwingkreisen zugeführten Energie möglichst auf Nennleistung des Umrichters gehalten wird.

Description

Beschreibung

1. Einrichtung zur induktiven Erwärmung von Werkstücken, insbesondere Rohren oder Stangen mit mehreren Induktoren, die mit Kondensatoren mehrere von einer gemeinsamen Wechselstromquelle gespeiste Einzelschwingkreise bilden, deren Stromversorgung mittels einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit von einer Sollwertabweichung der Werkstücktemperatur einzeln und/oder gruppenweise ein- oder ausschaltbar sind, wobei die Regeleinrichtung das Einschalten der Stromversorgung eines oder mehrerer Einzelschwingkreise nur dann vornimmt, wenn die Spannung der Wechselstromquelle zumindest für den Schaltaugcnblick verschwindet, wobei die Wechse!stromque!le ein gesteuerter Parallel-Schwingkreis-Umrichter ist, dessen Gleichrichterventile dann von der eine Vorrichtung zur Einstellung des Steuerwinkels der Gleichrichterventile enthaltenden Regeleinrichtung in den Sperrzustand steuerbar sind, wenn ein Einzelschwingkreis zugeschaltet oder der letzte in Betrieb befindliche Einzelschwingkreis abgeschaltet werden soll, hingegen dann lediglich auf verminderte Ausgangsspannung der Wechselstromquelle steuerbar sind, wenn einer der eingeschalteten Einzelschwingkreise geschaltet werden soll, wobei die verminderte Ausgangsspannung annähernd der nach Abschalten des Einzelschwingkreises zu erwartenden verminderten Leistungsabgabe der Wechselstromquelle entspricht, gemäß Patent 32 20 142, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (V) zu einer auf die temperaturabhängigen Impedanzen der einzelnen, die Induktoren umfassende Schwingkreise programmierte Steuer- und Regeleinrichtung erweitert ist, die in Abhängigkeit von der Temperaturabweichung von einer Sollkurve in den den einzelnen Schwingkreisen zugeordneten Abschnitten der Erwärmungsstrecke und unter Berücksichtigung der bei den jeweiligen Temperaturen wirksamen Impedanzen die Energiezufuhr zu den einzelnen Schwingkreisen (L\, Ci, L₂, C₂, L_n, C_n) derart steuert, daß der Umrichter (U) ohne Überlastung möglichst mit Nennspannung betrieben wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (V) über die Einschaltdauer, den Einschaltzeitpunkt und die Einschaltfolge der einzelnen Schwingkreise (L\, Ci, L₂, C₂, L_n, C_n) den Umrichter möglichst mit Nennspannung betreibt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (V) die Schwingkreise (L\, Ci, L₂, C₂, L_n, C_n) der einzelnen Abschnitte mit der größeren Temperaturabweichung mit Präferenz vor den Schwingkreisen der Abschnitte mit der kleineren Temperaturabweichung mit Energie versorgt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. mit einer Transportvorrichtung für das zu erwärmende Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschleifen der Temperaturstufen zwischen den einzelnen Abschnitten des Werkstückes (W) die Transportvorrichtung bei Erreichen eines vorgegebenen Temperaturniveaus des Werkstückes mit dem Transport beginnt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur induktiven Erwärmung von Werkstücken, insbesondere s Rohren oder Stangen mit mehreren Induktoren, die mit Kondensatoren mehrere von einer gemeinsamen Wechselstromquelle gespeiste Einzelschwingkreise bilden, deren Stromversorgung mittels einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit von einer Sollwertabweichung der

&iacgr;&ogr; Werkstücktemperatur einzeln und/oder gruppenweise ein- oder ausschaltbar sind, wobei die Regeleinrichtung das Einschalten der Stromversorgung eines oder mehrerer Einzelschwingkreise nur dann vornimmt, wenn die Spannung der Wechselstromquelle zumindest für den Schaltaugenblick verschwindet, wobei die Wechselstromquelle ein gesteuerter Parallel-Schwingkreis-Umrichter ist, dessen Gleichrichterventile dann von der eine Vorrichtung zur Einstellung des Steuerwinkels der Glleichrichterventile enthaltenden Regeleinrichtung in den Sperrzustand steuerbar sind, wenn ein Einzelschwingkreis zugeschaltet oder der letzte in Betrieb befindliche Einzelschwingkreis abgeschaltet werden soll, hingegen dann lediglich auf verminderte Ausgangsspannung der Wechselstromquelle steuerbar sind, wenn einer der eingeschalteten Einzelschwingkreise abgeschaltet werden soll, wobei die verminderte Ausgangsspannung annähernd der nach Abschalten des Einzelschwingkreises zu erwartenden verminderten Leistungsabgabe der Wechselstromquelle entspricht.

Beim Erwärmen von Werkstücken wird angestrebt, das über die Erwärmungsstrecke zu transportierende Werkstück mit einem bestimmten Temperaturgradienten zu fahren, so daß das am Ausgang der Erwärmungsstrecke ankommende Werkstück gerade die für die nachfolgende Verarbeitung optimale Temperatur hat. Durch das Ein- und Ausschalten der einzelnen Schwingkreise läßt sich im quasi-stationären Zustand mit der Einrichtung des Hauptpatentes der gewünschte Temperaturgradient erreichen. Der Einsatz des Parallel-Schwingkreis-Umrichters gewährleistet neben einer komfortablen Regelung der Leistungszufuhr auch, daß bei einem speisenden Dreiphasennetz das Netz nicht unsymmetrisch belastet wird. Außerdem wird verhindert, daß sich das Ein- und Ausschalten der einzelnen Induktoren schädlich auf den Parallel-Schwingkreis-Umrichter, zum Beispiel in Form von Überspannungen oder Kippungen, auswirkt.

Solange die Erwärmung im quasi-stationären Zustand erfolgt, d. h. nach Erreichen des vorgegebenen Tempera1:urgradienten, bleiben die Impedanzen der den einzelnen Abschnitten der Erwärmungsstücke zugeordneten Schwingkreise konstant. Wenn jedoch ein Werkstück mit über seine Länge zunächst gleichmäßiger Temperatur unterschiedlich stark in den einzelnen Abschnitten erwärmt werden soll, um den gewünschten Temperaturgradienten zu erreichen, dann ändern sich während der Erwärmung die Impedanzen der einzelnen Schwingkreise. Das führt dazu, daß bei unveränderter Ausgangsspiinnung des Umrichters dieser wegen zu hoher Stromaufnahme der Schwingkreise überlastet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum induktiven Erwärmen von Werkstücken zu schaffen, die die Aufheizung eines Werkstückes in kürzester Zeit und bei minimalem Ausschuß ermöglicht.

b5 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wechselstromquelle ein gesteuerter Parallel-Schwingkreis-Umrichter ist, dessen Gleichrichterventile dann von der eine Vorrichtung zur Einstellung des Steu-

erwinkels der Gleichrichterventile enthaltenden Regel- dungsglied E das eine Einrichtung G W zur Einstellung einrichtung in den Sperrzustand steuerbar sind, wenn des Gleichrichter-Steuerwinkels ansteuert. Der Einrichein Einzelschwingkreis zugeschaltet oder der letzte in tung GW wird zur Kontrolle die Mittelfrequenzspan-Betrieb befindliche Einzelschwingkreis abgeschaltet nung des Umrichters Uzugeführt
werden soll, hingegen dann lediglich auf verminderte 5 Die beschriebene Einrichtung arbeitet auf folgende Ausgangsspannung der Wechselstromquelle steuerbar Weise:

sind, wenn einer der eingeschalteten Einzelschwingkrei- Nach Schließen der Schalter Si, Sz, S_n wird der Um-

se abgeschaltet werden soll, wobei die verminderte Aus- richter LJ eingeschaltet, so daß die Erwärmung des

gangsspannung annähernd der nach Abschälten des Werkstücks Wbeginnt Sobald die von einem Tempera-Einzelschwingkreises zu erwartenden verminderten 10 turfühler Fi festgestellte Temperatur mit der am Ein-

Leistungsabgabe der Wechselstromquelle entspricht Stellglied G\ eingestellten Solltemperatur übereins-

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran- timmt, gibt die Vergleichsstufe V ein Stellsignal an das

Sprüchen gekennzeichnet Entscheidungsglied E ab, das feststellt, ob nach Abschal-

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es mög- tung des Induktors Lj mindestens noch ein Induktor L₂, Hch, den Umrichter während der gesamten Aufheizpha- 15 L_n eingeschaltet ist Sofern das der Fall ist gibt das Entse praktisch mit Nennleistung zu betreiben, denn durch scheidungsglied E an die Einrichtung GW zur Einsteldie verschiedenen Möglichkeiten der Steuerung der lung des Gleichrichter-Steuerwinkels ein Stellsignal zur Energiezufuhr zu den einzelnen Schwingkrcsen läßt Verminderung der Mittelfrequenzspannung des Umsich aus den Einzelimpedanzen der Schwingkreise im- richters LJ, die der erwarteten verminderten Leistungsmer eine Gesamtimpedanz zusammenstellen, die einen 20 aufnahme des Induktors L\ entspricht Sobald die Mh-Betrieb des Umrichters mit voller Ausgangsspannung telfrequenzspannung entsprechend vermindert ist, gibt ermöglicht, so daß Schwingungsrückwirkungen auf das das Entscheidungsglied £ein Stellsignal an den Schalter Netz minimal sind und sich ein maximaler Netz-cos &phgr; Si, der die Stromzufuhr zum Schwingkreis Ci, L\ unterergibt. Da es mit der erfindungsgemäßen Einrichtung bricht

möglich ist, das Werkstück im stationären Zustand ent- 25 Sollte dagegen das Entscheidungsglied E feststellen, sprechend der vorgegebenen Temperaturkurve aufzu- daß nach Unterbrechung der Stromzufuhr zum heizen, fällt praktisch kein Ausschuß mehr an. Ferner ist Schwingkreis L\, Q kein weiterer Schwingkreis mehr es mit der Einrichtung möglich, bei Betriebsunterbre- am Umrichter U angeschlossen ist, wird die Mittelfrechung das nicht weitertransportierte Werkstück mit quenzspannung nicht weiter erniedrigt, sondern der dem vorgegebenen Temperaturgradienten über die Er- 30 Umrichter LJ abgeschaltet. Die Abschaltung des Umwärmungsstrecke warmzuhalten. Um am Ende der Auf- richters i/ist auch jedesmal erforderlich, wenn ein weiheizphase des Werkstückes zu einem schleifenden Tem- terer Schwingkreis zugeschaltet wird,
peraturübergang in den einzelnen Abschnitten des Die soweit beschriebene Einrichtung ist Gegenstand Werkstückes zu kommen, beginnt der Transport des des Hauptpatentes. Beim Gegenstand des Zusatzpaten-Werkstückes bei einer vorgegebenen Temperatur. 35 tes wird die Vergleichsstufe zu einer programmierten

Sollte es bei einer vorgegebenen Anzahl von Steuer- und Regeleinrichtung ausgebaut. In Abhängig-Schwingkreisen nicht möglich sein, aus den Schwing- keit von dem Temperaturwert in den einzelnen Abkreisen eine Gesamtimpedanz zusammenzustellen, bei schnitten der Erwärmungsstrecke kann die Vergleichsder der Umrichter mit voller Ausgangsspannung betrie- stufe V die Impedanz der zugehörigen Schwingkreise ben werden kann, ohne daß es zu einer Überlastung des 40 bestimmen und unter Berücksichtigung der Soll-Ist-Umrichters kommt, dann sieht eine Ausgestaltung der Wertabweichung der Temperatur die Energiezufuhr zu Erfindung vor, auch die Ausgangsspannung des Umrich- den einzelnen Schwingkreisen derart steuern, daß der ters derart zu steuern, daß der Nennstrom des Umrich- Umrichter ohne Überlastung mit maximaler Ausgangsters nicht überschritten wird. spannung betrieben werden kann. Wird von einem in

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein 45 der Erwärmungsstrecke über seine Länge gleichmäßig Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher er- kalten Werkstück ausgegangen, dann sind die Ausläutert. Im einzelnen zeigt gangsimpedanzen aller Schwingkreise gleich. Bei

Fig. 1 eine Einrichtung zum induktiven Erwärmen gleichzeitigem Einschalten der drei Schwingkreise ist

von Werkstücken, und deshalb die Energiezufuhr zu allen Schwingkreisen

Fig. 2 ein Diagramm mit dem Temperaturgradienten, 50 gleich. Da die Impedanz mit zunehmender Erwärmung

aufgetragen über die Erwärmungsstrecke. des Werkstücks in den einzelnen Abschnitten sinkt, ist

Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung speist ein es zur Aufrechterhaltung einer im wesentlichen kondrehstromgespeister Umrichter U für eine Mittelfre- stanten Gesamtimpedanz erforderlich, den einen oder quenzspannung mehrere parallelgeschaltete Schwing- anderen Schwingkreis abzuschalten, der weniger Enerkreise, die jeweils aus einer Parallelschaltung eines Kon- 55 gie für die Erreichung der Soll-Temperatur benötigt als densators Ci, Ci, C_n und eines Induktors L\, Li, L_n beste- die anderen Schwingkreise, im vorliegenden Fall also hen. In der Stromversorgungsleitung eines jeden der dem ersten Abschnitt zugeordnete Schwingkreis L\, Schwingkreises Ci, L\, Ci, L₂, C_n, L_n ist ein elektronischer Ci. Die Abschaltung dieses Schwingkreises erfolgt aber Schalter Si, S₂, S_n angeordnet. Die Induktoren Li, L₂, L_n nicht erst dann, wenn die Soll-Temperatur erreicht ist, sind als Ringspulen ausgebildet und umschließen ein zu e>o sondern vorher, um durch Einschulten dieses Schwingerwärmendes, stabförmiges Werkstück W. kreises auch beim weiteren Aufheizen noch die Mög-

Jedem Induktor L₁, /.₂, L_n ist ein Temperaturfühler Fi, lichkeit zu haben, über ihn die Gesamtimpedanz zu ver-

F₂, F_n für die Werkstücktemperatur im Bereich des je- ändern. Durch Verschachteln der Einschaltzeiten der

weiligen Induktors zugeordnet. Die Temperaturfühler einzelnen Schwingkreise, deren Einschaltdauer und de-

Fi, F₂, F_n liefern die Isttemperatur an eine Vergleichsstu- 65 ren Einschaltfolge läßt sich erreichen, daß in kürzester

fe V, der auch die Sollwerte von Einstellgliedern Fi, G₂, Zeit im stationären Zustand die im Ausführungsbeispiel

G_n zugeführt werden. Bei einer Soll-Istabweichung lie- gezeichnete Soll-Temperaturkurve über die Erwär-

fert die Vereleichsstufe Vein Stellsignal an ein Entschei- mungsstrecke erhalten wird. Der Temperaturausgleich

an den Grenzen der einzelnen Abschnitte, aber auch
innerhalb der einzelnen Abschnitte wird dadurch begünstigt,
daß nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur
der Transport des Werkstückes beginnt. Das
mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erwärmte 5 Werkstück verläßt dann mit einem minimalen Ausschuß
mit optimaler Temperatur für die weitere Bearbeitung
die Erwärmungsstrecke. Anschließend braucht dann nur
noch für den quasi-stationären Zustand der eingestellten
Temperaturkurve Energie den einzelnen Ab- io schnitten zugeführt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentansprüche