Einrichtung und Verfahren zur induktiven Erwärmung von Werkstücken, insbesondere Rohren oder Stangen, mit mehreren Induktoren

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zum induktiven Erwärmen von Werkstücken mittels eines Parallel-Schwingkreis-Umrichters mit mehreren parallelgeschalteten, die Induktoren umfassenden Schwingkreisen, deren Stromversorgung in Abhängigkeit von der Soll-Wertabweichung der Werkstücktemperatur einzeln oder gruppenweise ein- und ausschaltbar ist. Um eine unsymmetrische Belastung des den Umrichter speisenden Mehrphasennetzes zu verhindern und um das in die Erwärmungsstrecke eingebrachte, eine zunächst gleichmäßige Temperatur aufweisende Werkstück auf eine vorgegebene Temperaturkurve über die Erwärmungsstrecke zu bringen, erfolgt das Zu- und Ausschalten unter Berücksichtigung der die Parallelschwingkreise speisende Wechselspannung, bzw. der erwarteten verminderten Leistungsaufnahme 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.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine 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 Reeleinrichtung in Abhängigkeit vnn 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 Schaltaugenblick verschwindet.

[0002] Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (DE-OS 2 914 277) wird die Wechselstromquelle von einem Dreiphasennetz gebildet, an dessen Phasen die Induktoren getrennt voneinander angeschlossen sind. Zur Begrenzung des Ein- und Ausschaltstromes erfolgt das Ein- und Ausschalten der einzelnen Induktoren vorzugsweise im Augenblick des Null-Durchganges der Spannung der entsprechenden Phase. Da entsprechend der Erwärmung des Werkstückes einzelne Induktoren ausgeschaltet werden können, ergibt sich für das Dreiphasennetz eine unsymmetrische Belastung.

[0003] Eine solche unsymmetrische Belastung tritt jedoch dann nicht auf, wenn, wie aus der Praxis bekannt, jedem Induktor ein eigener Generator zugeordnet ist. Eine solche Einrichtung bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die Leistungszufuhr nicht nur durch Abschalten der Induktoren, sondern auch über den Generator zu regeln. Bei einer solchen Einrichtung wird jedoch der höhere Einrichtungsaufwand in Kauf genommen.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bei guter Regelbarkeit der Leistungszufuhr zu den Induktoren schädliche Auswirkungen durch das Ein- und Ausschalten der Induktoren nicht auftreten.

[0005] 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 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 abgeschaltet werden soll, wobei die verminderte Ausgangsspannung annähernd der nach Abschalten des Einzelschwingkreises zu erwartenden verminderten Leistungsabgabe der Wechselstromquelle entspricht.

[0006] Der Einsatz eines Parallel-Schwingkreis-Umrichters gewährleistet neben einer komfortablen Regelung der Leistungszufuhr auch, daß bei einem speisenden Dreiphasennetz das Netz nicht unsymmetrisch belastet wird. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird auch verhindert, daß sich das Ein- und Ausschalten der einzelnen Induktoren schädlich auf den Parallel-Schwingkreis-Umrichter, z.B. in Form von Überspannungen oder durch Kippung auswirkt.

[0007] 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 Parallelschwingkreisumrichters 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 Parallelschwingkreisumrichter, zum Beispiel in Form von Überspannungen oder kippungen auswirkt.

[0008] Solange die Erwärmung im quasi-stationären Zustand erfolgt, d.h. nach Erreichen des vorgegebenen Temperaturgradienten, 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 Ausgangsspannung des Umrichters dieser wegen zu hoher Stromaufnahme der Schweingkreise überlastet wird.

[0009] Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum induktiven Erwärmen von Werkstücken zu schaffen, das die Aufheizung eines Werkstückes in kürzester Zeit und bei minimalem Ausschuß ermöglicht.

[0010] Diese Aufgabe wird unter Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung dadurch gelöst, daß die Energiezufuhr zu den den einzelnen Abschnitten der Erwärmungsstrecke zugeordneten Schwingkreisen in Abhängigkeit von der Große der Temperaturabweichung von einer vorgegebenen Temperaturkurve über die Erwärmungsstrecke derart erfolgt, daß durch Steuerung der Einschaltdauer, des Einschaltzeitpunktes und der Einschaltfolge des bzw. der Schwingkreise dem bzw. den Schwingkreisen mit der größten Sollwertabweichung mehr Energie zugeführt wird als dem bzw. den Schwingkreisen mit kleinerer Sollwertabweichung, wobei die Summe der den Schwingkreisen zugeführten Energie möglichst auf Nennleistung des Umrichters gehalten wird.

[0011] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Umrichter während der gesamten Aufheizphase praktisch mit Nennleistung zu betreiben, denn durch die verschiedenen Möglichkeiten der Steuerung der Energiezufuhr zu den einzelnen Schwingkreisen läßt sich aus den Einzelimpedanzen der Schwingkreise immer eine Gesamtimpedanz zusammenstellen, die einen Betrieb des Umrichters mit voller Ausgangsspannung ermöglicht, so daß Schwingungsrückwirkungen auf das Netz minimal sind und sich ein maximaler Netz-cos- 1_? ergibt. Da es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, das Werkstück im stationären Zustand entsprechend der vorgegebenen Temperaturkurve aufzuheizen, fällt praktisch kein Ausschuß mehr an. Ferner ist es mit dem Verfahren möglich, bei Betriebsunterbrechung das nicht weitertransportierte Werkstück mit dem vorgegebenen Temperaturgradienten über die Erwärmungsstrecke warmzuhalten. Um am Ende der Aufheizphase des Werkstücks zu einem schleifenden Temperaturübergang in den einzelnen Abschnitten des Werkstückes zu kommen, beginnt der Transport des Werkstückes bei einer vorgegebenen Temperatur.

[0012] Sollte es bei einer vorgegebenen Anzahl von Schwingkreisen nicht möglich sein, aus den Schwingkreisen eine Gesamtimpedanz zusammenzustellen, bei der der Umrichter mit voller Ausgangsspannung betrieben werden kann, ohne daß es zu einer Überlastung des Umrichters kommt, dann sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, auch die Ausgangsspannung des Umrichters derart zu steuern, daß der Nennstrom des Umrichters nicht überschritten wird.

[0013] Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen

[0014] 

Fig. 1 eine Einrichtung zum induktiven Erwärmen von Werkstücken, und

Fig. 2 ein Diagramm mit dem Temperaturgradienten, aufgetragen über die Erwärmungsstrecke.

[0015] Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung speist ein drehstromgespeister Umrichter U für eine Mittelfrequenzspannung mehrere parallelgeschaltete Schwingkreise, die jeweils aus einer Parallelschaltung eines Kondensators G₁, C₂, C_n und eines Induktors L_1' L_2' L_n bestehen. In der Stromversorgungsleitung eines jeden Schwingkreises C₁, L₁, C_2' L_2' C_n' L_n ist ein elektronischer Schalter S₁, S_2' S_n angeordnet. Die Induktoren L₁, L_2' L_n sind als Ringspulen ausgebildet und umschließen ein zu erwärmendes, stabförmiges Werkstück W.

[0016] Jedem Induktor L₁, L₂, L_n ist ein Temperaturfühler F₁, ^F₂₁ F_n für die Werkstücktemperatur im Bereich des Jeweiligen Induktors zugeordnet. Die Temperaturfühler F₁, F₂, F_n liefern die Isttemperatur an eine Vergleichsstufe V, der auch die Sollwerte von Einstellgliedern F₁, G_2' G_n zugeführt werden. Bei einer Soll-Istabweichung liefert die Vergleichsstufe V ein Stellsignal an ein Entscheidungsglied E, das eine Einrichtung GW zur Einstellung des Gleichrichter-Steuerwinkels ansteuert. Der Einrichtung GW wird zur Kontrolle die Mittelfrequenzspannung des Umrichters U zugeführt.

[0017] Die beschriebene Einrichtung arbeitet auf folgende Weise:

Nach Schließen der Schalter S₁, S₂, S_n wird der Umrichter U eingeschaltet, so daß die Erwärmung des Werkstücks W beginnt. Sobald die von einem Temperaturfühler F₁ festgestellte Temperatur mit der am Einstellglied G₁ eingestellten Solltemperatur übereinstimmt, gibt die Vergleichsstufe V ein Stellsignal an das Entscheidungsglied E ab, das feststellt, ob nach Abschaltung des Induktors L₁ mindestens noch ein Induktor L₂ L eingeschaltet ist. Sofern das der Fall ist, gibt das Entscheidungsglied E an die Einrichtung GW zur Einstellung des Gleichrichter-Steuerwinkels ein Stellsignal zur Verminderung der Mittelfrequenzspannung des Umrichters U, die der erwarteten verminderten Leistungsaufnahme des Induktors L₁ entspricht. Sobald die Mittelfrequenzspannung entsprechend vermindert ist, gibt das Entscheidungsglied E ein Stellsignal an den Schalter S₁, der die Stromzufuhr zum Schwingkreis C_l, L₁ unterbricht.

[0018] Sollte dagegen das Entscheidungsglied E feststellen, daß nach Unterbrechung der Stromzufuhr zum Schweingkreis L_1' C₁ kein weiterer Schwingkreis mehr am Umrichter U angeschlossen ist, wird die Mittelfrequenzspannung nicht weiter erniedrigt, sondern der Umrichter U abgeschaltet. Die Abschaltung des Umrichters U ist auch jedesmal erforderlich, wenn ein weiterer Schwingkreis zugeschaltet wird.

[0019] Die soweit beschriebene Einrichtung ist Gegenstand des Hauptpatentes. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Vergleichsstufe zu einer programmierten Steuer- und Regeleinrichtung ausgebaut. In Abhängigkeit von dem Temperaturwert in den einzelnen Abschnitten der Erwärmungsstrecke kann die Vergleichsstufe V die Impedanz der zugehörigen Schwingkreise bestimmen und unter Berücksichtigung der Soll-Istwertabweichung der Temperatur die Energiezufuhr zu den einzelnen Schwingkreisen derart steuern, daß der Umrichter ohne Überlastung mit maximaler Ausgangsspannung betrieben werden kann. Wird von einem in der Erwärmungsstrecke über seine Länge gleichmäßig kalten Werkstück ausgegangen, dann sind die Ausgangsimpedanzen aller Schwingkreise gleich. Bei gleichzeitigem Einschalten der drei Schwingkreise ist deshalb die Energiezufuhr zu allen Schwingkreisen gleich. Da die Impedanz mit zunehmender Erwärmung des Werkstücks in den einzelnen abschnitten sinkt, ist es zur Aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten Gesamtimpedanz erforderlich, den einen oder anderen Schwingkreis abzuschalten, der weniger Energie für die Erreichung der Soll- Temperatur benötigt als die anderen Schwingkreise, im vorliegenden Fall also der dem Abschnitt I zugeordnete Schwingkreis. Die Abschaltung dieses Schwingkreises erfolgt aber nicht erst dann, wenn die Soll-Temperatur erreicht ist, sondern vorher, um durch Einschalten dieses Schwingkreises auch beim weiteren Aufheizen noch die Möglichkeit zu haben, über ihn die Gesamtimpedanz zu verändern. Durch Verschachteln der Einschaltzeiten der einzelnen Schwingkreise, deren Einschaltdauer und deren Einschaltfolge läßt sich erreichen, daß in kürzester Zeit im stationären Zustand die im Ausführungsbeispiel gezeichnete Soll-Temperaturkurve über die Erwärmungsstrecke 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 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erwärmte 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 Abschnitten zugeführt werden.

Ansprüche

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 Soll- wertabweichung der Werkstücktemperatur einzeln und/oder gruppenweise ein- oder ausschaltbar ist, wobei die Regeleinrichtung das Einschalten der Stromversorgung eines oder mehrerer Einzelschwingkreise nur dann vornimmt, wenn die Spannung der Wechselstromquelle zumindest für den Schaltaugenblick verschwindet, dadurch gekennzeichnet , daß die Wechselstromquelle ein gesteuerter Parallel-Schwingkreis-Umrichter (U) ist, dessen Gleichrichterventile dann von der eine Vorrichtung (GW) zur Einstellung des Steuerwinkels der Gleichrichterventile enthaltenden Regeleinrichtung (V,E,W) in den Sperrzustand steuerbar sind, wenn ein Einzelschwingkreis (L_l,C_l'... L ,C ) 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.

2. Verfahren zum induktiven Erwärmen von Werkstücken, die über eine von mehreren Induktoren gebildete Erwärmungsstrecke transportiert werden unter Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr zu den einzelnen Abschnitten der Erwärmungsstrecke zugeordneten Schwingkreisen in Abhängigkeit von der Größe der Temperaturabweichung von einer vorgegebenen Temperaturkurve über die Erwärmungsstrecke derart erfolgt, daß durch Steuerung der Einschaltdauer, des Einschaltzeitpunktes und der Einschlatfolge des bzw. der Schwingkreise dem bzw. den Schwingkreisen mit der Größten Sollwertabweichung mehr Energie zugeführt wird als dem bzw. den Schwingkreisen mit kleinerer Sollwertabweichung, wobei die Summe der den Schwingkreisen zugeführten Energie möglichst auf Nennleistung des Umrichters gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichn e t, daß bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur der Transport des Werkstückes beginnt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Umrichters derart gesteuert wird, daß sein Nennstrom nicht überschritten wird.

Zeichnung