[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Beheizen von Öfen für die Wärmebehandlung
metallischer Werkstücke, insbesondere von zum Plasmaaufkohlen oder -nitrieren einsetzbaren
Vakuumöfen, bei dem die Heizelemente eines Ofens mit einer Heizspannung versorgt werden,
die auf der Sekundärseite eines an ein Drehstromnetzwerk angeschlossenen Drehstromtransformators
erzeugt wird.
[0002] In Drehstromnetzwerken fließt üblicherweise ein durch drei um jeweils 120° zueinander
phasenverschobene Wechselspannungen hervorgerufener Drehstrom, welcher bei nicht rein
ohmschen elektrischen Verbrauchern, also elektrischen Verbrauchern mit Stromkreisteilen
mit induktiven und/oder kapazitiven Eigenschaften, eine von der Induktivität und/oder
Kapazitivität des Verbrauchers abhängende Phasenverschiebung (ϕ) zwischen Spannung
und Strom aufweist.
[0003] In Drehstromnetzwerken ist nur die vom Drehstrom erzeugte Wirkleistung in elektrischen
Verbrauchern - Betriebsmitteln, die elektrische Energie benötigen, um eine vom Menschen
gestellte Aufgabe zu erfüllen - nutzbar. Im Drehstromnetzwerk tritt aber noch eine
vom Blindstrom herrührende Blindleistung (Q) auf, die nicht zur nutzbaren Leistung
beiträgt. Die Blindleistung hat ihre Ursache in der Phasenverschiebung zwischen Spannung
und Strom, die durch Induktivitäten und Kapazitäten im Stromkreis hervorgerufen und
zum Aufbau von elektrischen und magnetischen Feldern verbraucht wird. Die Blindleistung
(Q) wirkt sich ungünstig auf elektrische Anlagen aus, da sie Spannungsabfälle und
Stromwärmeverluste verursacht und eine zusätzliche Belastung für Generatoren, Transformatoren
und Leitungen darstellt. Von den Energieversorgungsunternehmen wird deshalb von größeren
Verbrauchern die Einhaltung eines Leistungsfaktors (cos ϕ) zwischen 0,8 und 0,9 gefordert.
Darüber hinaus ist eine Bezahlung des Blindleistungsbezuges vorgesehen. Industriebetriebe
sind daher daran interessiert, die in ihrem Netz entstehende Blindleistung zu kompensieren.
[0004] Zur Kompensation von Blindleistung in Drehstromnetzwerken sind zahlreiche Kompensationsanlagen
und -einrichtungen bekannt, wie beispielsweise Synchronkompensatoren, auch Phasenschieber
genannt, Blindleistungskondensatoren und Blindleistungsstromrichter. Diese Anlagen
und Einrichtungen bewirken eine Verkleinerung des Phasenwinkels (ϕ) zwischen Wirkleistung
(P) und Scheinleistung (S) und damit eine Verkleinerung der den Energieversorgungsunternehmen
zu bezahlenden Blindleistung (Q). Nachteilig ist der mit Anlagen und Einrichtungen
zur Kompensation von Blindleistungen gegebene, nicht unbedeutende anlagentechnische
und in wirtschaftlicher Hinsicht kostenintensive Aufwand, den es im Hinblick auf möglichst
geringe Herstellungsund Betriebskosten zu vermeiden gilt.
[0005] Eine Kompensation der Blindleistung ist in besonderem Maße bei Öfen für die Wärmebehandlung
metallischer Werkstücke von Nutzen, insbesondere bei zum Plasmaaufkohlen oder -nitrieren
von Werkstücken eingesetzten Vakuumöfen. Um eine lonisierung der Ofenatmosphäre im
Bereich der Heizelemente beim Plasmaaufkohlen oder -nitrieren zu vermeiden, sind bekannte
Öfen mit Heizelementen versehen, die einen niederohmigen Widerstand aufweisen und
mit einer geringen Heizspannung versorgt werden. Eine niederohmige Auslegung der Heizelemente
erfordert allerdings eine entsprechend große Masse der Heizelemente, die ihrerseits
eine erhöhte Heizleistung bedingt. Die erhöhte Heizleistung sowie die geringe Heizspannung
haben neben einem beachtlichen anlagentechnischen und infolgedessen kostenintensiven
Herstellungsaufwand zur Folge, daß ein Strom mit hoher Stromstärke durch die Heizelemente
fließt, der demgemäß einen hohen Blindstromanteil und eine entsprechend hohe Blindleistung
(Q) mit sich bringt.
[0006] Bei Drehstromtransformatoren und insbesondere im Zusammenhang mit Öfen für die Wärmebehandlung
metallischer Werkstücke zur Steuerung der Heizspannung und damit der Temperatur in
der Ofenkammer eingesetzten variabel einstellbaren Reaktanztransformatoren, VRT genannt,
ist der Leistungsfaktor (cos ϕ) nur in einem bestimmten Arbeitspunkt bzw. in einem
Bereich von vorbestimmten Arbeitspunkten bei akzeptablen Werten zwischen 0,8 und 0,9
haltbar. Bereits geringste Abweichungen von dem bzw. den Arbeitspunkten der Transformatoren
sind mit einer hohen Verringerung des Leistungsfaktors (cos ϕ) und damit mit einer
Erhöhung des Blindstromanteils und einer entsprechend hohen Blindleistung (Q) verbunden.
Insbesondere bei variabel einstellbaren Reaktanztransformatoren (VRTs), welche bei
Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke die Leistungsübertragung von
der Primärseite auf die Sekundärseite des Transformators mittels einer auf für den
Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern basierenden Stellgröße reguliert,
ist aufgrund sich nahezu ständig ändernder Betriebsparameter des Heizvorgangs, beispielsweise
der Ofentemperatur, der Chargentemperatur oder der jeweils erforderlichen Heizleistung,
ein Abweichen vom optimalen Arbeitspunkt oder des Bereichs von Arbeitspunkten und
einer damit einhergehenden Erhöhung der Blindleistung (Q) verbunden, wie empirische
Versuche gezeigt haben.
[0007] Der Erfindung liegt in Anbetracht dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zum elektrischen Beheizen von Öfen für die Wärmebehandlung metallischer
Werkstücke der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich auf einfache
und kostengünstige Weise ein verhältnismäßig geringer Blindleistungsanteil erzielen
läßt.
[0008] Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die primärseitigen Spulenwicklungen des Drehstromtransformators
während einer ersten Heizphase in Dreieckschaltung und während einer zweiten Heizphase
in Sternschaltung geschaltet werden, wobei der Umschaltzeitpunkt von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung in Abhängigkeit von für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern
bestimmt wird.
[0009] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Heizvorgang beim elektrischen
Beheizen von Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke Heizphasen umfaßt,
die unterschiedliche Heizleistungen benötigen. So ist beispielsweise beim Aufheizen
des Ofens auf eine bestimmte Temperatur eine größere Heizleistung erforderlich, als
für das Halten des Ofens auf einer für die geforderte Wärmebehandlung notwendigen
Behandlungstemperatur. Erfindungsgemäß wird durch das Umschalten der primärseitigen
Spulenwicklungen des Drehstromtransformators von Dreieckschaltung auf Sternschaltung
in Abhängigkeit von für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern gewährleistet,
daß der Drehstromtransformator in einem Arbeitspunkt bzw. in einem Bereich von Arbeitspunkten
arbeitet, in welchem ein hoher Leistungsfaktor (cos ϕ) gegeben ist. Durch die Umschaltung
von Dreieckschaltung auf Sternschaltung wird die dem Drehstromtransformator primärseitig
zugeführte elektrische Leistung verringert. Dabei wird der Arbeitspunkt des Drehstromtransformators
trotz der damit verbundenen Verringerung der sekundärseitigen elektrischen Ausgangsleistung
ebenso wie der mit dem bzw. den Arbeitspunkten verbundene Leistungsfaktor (cos ϕ)
eingehalten, so daß eine Einschränkung der Blindleistung ohne aufwendige Kompensation
erreicht wird.
[0010] Hierbei kommt in vorteilhafter Weise zum Tragen, daß die Dreieckschaltung der primärseitigen
Spulenwicklungen in der ersten Heizphase eine hohe Heizleistung bewirkt, so daß sich
eine entsprechend kurze Aufheizzeit ergibt. Nach dem Aufheizen ist in der zweiten
Heizphase nur noch eine geringe Heizleistung zum Halten der Temperatur erforderlich.
Dem wird erfindungsgemäß durch das Umschalten von Dreiecksschaltung auf Sternschaltung
in Abhängigkeit von für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern und
der damit einhergehenden geringeren sekundärseitigen Heizspannung Rechnung getragen.
[0011] Vor allem im Zusammenhang mit einer Plasmaaufkohlung oder Plasmanitrierung führt
letzteres darüber hinaus dazu, daß eine lonisierung der Ofenatmosphäre im Bereich
der Heizelemente vermieden wird. Anstelle einer ansonsten erforderlichen Kompensation
von Blindleistung (Q) wird durch die erfindungsgemäße Umschaltung die ansonsten zu
kompensierende Blindleistung (Q) gar nicht erst erzeugt. Bedingt durch die Umschaltung
der primärseitigen Spulenwicklungen des Drehstromtransformators von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung liegen an der Drehstromtransformators erzeugte Heizspannung durch
das Umschalten von Dreieckschaltung auf Sternschaltung geringer wird und demgemäß
eine geringere Heizleistung während der zweiten Heizphase bereitgestellt wird. Es
wurde festgestellt, daß die durch Umschaltung von Dreieckschaltung auf Sternschaltung
gegebene verringerte elektrische Heizleistung auf der Sekundärseite des Drehstromtransformators
vorteilhafterweise im wesentlichen der während der zweiten Heizphase für das Halten
der für die geforderte Wärmebehandlung notwendigen Betriebstemperatur erforderlichen
verringerten Heizleistung entspricht. Vorteilhafterweise wird der Umschaltzeitpunkt
von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit einer vorgebbaren Stellgröße,
vorzugsweise eines variabel einstellbaren Reaktanztransformators, bestimmt.
[0012] In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Umschaltzeitpunkt
von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der Ofentemperatur und/oder
der Chargentemperatur und/oder des Leistungsfaktors (cos ϕ) als für den Heizvorgang
charakteristischen Betriebsparametern bestimmt.
[0013] Von Vorteil ist ferner, mittels eines Schütz von der Dreieckschaltung auf die Sternschaltung
umzuschalten, da dann die Leistungsverluste gering gehalten werden und die Blindleistung
erheblich verringert wird.
[0014] In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird von Heizelementen mit einem vergleichsweise
hochohmigen Widerstand Gebrauch gemacht. Dies ist im Unterschied zu bisherigen Verfahrensführungen
auch beim Plasmaaufkohlen oder Plasmanitrieren möglich, weil durch die Sternschaltung
sowohl die Stromstärke als auch die Heizleistung und damit die Heizspannung während
der zweiten Heizphase herabgesetzt ist, so daß - wie zuvor erörtert - die Gefahr einer
lonisierung der Ofenatmosphäre im Bereich der Heizelemente ausgeschlossen werden kann.
Durch den Einsatz von Heizelementen mit einem hochohmigen Widerstand verringert sich
der anlagentechnische Herstellungsaufwand, da sich die Masse der Heizelemente reduzieren
läßt und dementsprechend die erforderliche Heizleistung geringer wird. Darüber hinaus
kann auf diese Weise für verschiedenartige Ofentypen die gleichen Heizelemente Anwendung
finden, so daß der bisher bei Öfen für Plasmaaufkohlen oder Plasmanitrieren maßgebliche
Mehraufwand entfällt.
[0015] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als Drehstromtransformator
ein variabel einstellbarer Reaktanztransformator eingesetzt. Im Zusammenspiel mit
einen hochohmigen Widerstand aufweisenden Heizelementen bietet dies den Vorteil, daß
die Heizspannung respektive Temperatur in der Ofenkammer anstelle mit einem Schütz
durch Variation der Stellgröße des Reaktanztransformators einstellbar ist. Die sich
infolge der Veränderung der Stellgröße eines Reaktanztransformators in Richtung kleinerer
Werte üblicherweise ergebende Verringerung des Leistungsfaktors (cos ϕ) ist aufgrund
der Hochohmigkeit des Widerstands der Heizelemente dabei von untergeordneter Bedeutung.
Um eine Feineinstellung der Heizspannung zu erreichen wird sonach ferner vorgeschlagen,
daß die Heizspannung für die erste und zweite Heizphase - unbeschadet der Umschaltung
von Dreieck- auf Sternschaltung mittels eines Schütz - durch Variieren der Stellgröße
des Reaktanztransformators angepaßt wird.
[0016] Zweckmäßigerweise wird während der ersten Heizphase eine Heizspannung von weniger
als 60 V, vorzugsweise ca. 50 V, und während der zweiten Heizphase eine Heizspannung
von weniger als 35 V, vorzugsweise ca. 30 V, an die Heizelemente angelegt. Beim Plasmaaufkohlen
oder Plasmanitrieren ist somit in der ersten Heizphase eine kurze Aufheizzeit sichergestellt
und in der zweiten Heizphase eine Beeinträchtigung der Ofenatmosphäre durch unerwünschte
lonisierung im Bereich der Heizelemente ausgeschlossen. Schließlich wird vorgeschlagen,
ein Drehstromnetz mit einer Spannung von etwa 400 V vorzusehen, so daß der Betrieb
eines Ofens für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke am öffentlichen Stromnetz
ermöglicht ist.
[0017] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In der zugehörigen Zeichnung zeigen
im einzelnen:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung des Stromlaufplans einer elektrischen Heizeinrichtung
für einen Vakuumofen;
- Figur 2
- eine detaillierte Darstellung des Stromlaufplans gemäß Figur 1;
- Figur 3
- in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors (cos ϕ) beim Heizvorgang
gemäß dem Stand der Technik;
- Figur 4
- in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors (cos ϕ) eines erfindungsgemäßen
Heizvorgangs mit einer Umschaltung der primärseitigen Spulenwicklungen von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung in Abhängigkeit des Leistungsfaktors (cos ϕ);
- Figur 5
- in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors (cos ϕ) eines erfindungsgemäßen
Heizvorgangs mit einer Umschaltung der primärseitigen Spulenwicklungen von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der Ofentemperatur und
- Figur 6
- in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors (cos ϕ) eines erfindungsgemäßen
Heizvorgangs mit einer Umschaltung der primärseitigen Spulenwicklungen von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der Chargentemperatur.
[0018] Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Stromlaufplan zeigt als Flach-Kupferleitungen
mit einem Querschnitt von 30 x 10 mm ausgebildete Stromstränge 1a, 1b, 1c eines eine
Netzspannung von etwa 400 V aufweisenden Drehstromnetzes. Die Stromstränge 1a, 1b,
1c sind mit Sicherungslasttrenner 2a, 2b der Größe NH2 verbunden, die mit 315 A gesichert
sind. Über einen Querschnitt von 20 x 10 mm aufweisende Flach-Kupferleitungen 3a,
3b sind die Sicherungslasttrenner 2a, 2b an einen auf 300 A ausgelegten Netzschütz
4a und einen gleichfalls auf 300 A ausgelegten Dreieckschütz 4b beziehungsweise einen
zu letzterem parallel geschalteten und auf 160 A ausgelegten Sternschütz 4c angeschlossen.
Flach-Kupferleitungen 5a, 5b mit einem Querschnitt von 6 x 120 mm
2 verbinden die Schütze 4a bis 4c mit den primärseitigen Spulenwicklungen eines variabel
einstellbaren Reaktanztransformators 6. Wie insbesondere anhand von Fig. 2 zu erkennen,
sind die sekundärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 über Flach-Kupferleitungen
7a, 7b, 7c der Stärke 2 x 120 x 10 mm an Heizelemente 8a, 8b, 8c mit einem hochohmigen
Widerstand angeschlossen.
[0019] Die primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 sind je nach Verfahrenszustand
einer in dem Vakuumofen durchgeführten Wärmebehandlung entweder in einer Dreieckschaltung
oder in einer Sternschaltung verknüpft. Durch die Schütze 4b, 4c kann von der Dreieckschaltung
auf die Sternschaltung umgeschaltet werden. Im Fall der Dreieckschaltung liegt auf
der Primärseite des Reaktanztransformators 6 eine Leiterspannung von etwa 400 V an.
Der durch die primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 fließende
Strom hat dabei eine Stromstärke von etwa 464 A. Im Fall der Sternschaltung liegt
auf der Primärseite des Reaktanztransformators 6 eine geringere Leiterspannung von
etwa 230 V an. Die Größe des Primärstroms ist gleichfalls niedriger und beträgt etwa
268 A.
[0020] Durch eine Scheinleistung von jeweils 118 kVA übertragende Einzeltransformatoren
9a, 9b, 9c des Reaktanztransformators 6 wird die auf der Primärseite des Reaktanztransformators
6 jeweils anliegende Leiterspannung heruntertransformiert, im Fall der Sternschaltung
beispielsweise auf eine an der Sekundärseite des Reaktanztransformators abfallende
Heizspannung von etwa 35 V. Bei einem Sekundärstrom der Stromstärke 3057 A ergibt
sich dadurch eine Wirkleistung von jeweils etwa 107 kW für die Heizelemente 8a, 8b,
8c.
[0021] Die auf dem zuvor geschilderten Stromlaufplan basierende Heizeinrichtung ermöglicht,
daß die Ofenkammer des Vakuumofens beispielsweise zum Plasmanitrieren metallischer
Werkstücke während einer ersten Heizphase auf eine bestimmte Temperatur, etwa 1080
°C, aufgeheizt und während einer zweiten Heizphase auf einer dem jeweiligen Verwendungszweck
entsprechenden Nitriertemperatur von beispielsweise 600 °C bis 850 °C für eine vorgegebene
Dauer gehalten wird. Während der ersten Heizphase werden dabei die primärseitigen
Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 in der Dreieckschaltung verknüpft, so
daß sich aufgrund der damit für die Heizelemente 8a, 8b, 8c bereitgestellten hohen
Heizleistung eine kurze Aufheizzeit ergibt. Bei Erreichen der vorgegeben Temperatur
am Ende der ersten Heizphase wird mittels des Schütz 4c auf Sternschaltung umgeschaltet,
wodurch sowohl der Sekundärstrom als auch die an der Sekundärseite abfallende Heizspannung
reduziert wird.
[0022] Da zum Halten der Temperatur während der zweiten Heizphase eine geringere Heizleistung
erforderlich ist, wird durch die reduzierte Heizspannung eine ausreichende Heizleistung
zur Verfügung gestellt. Einer merklichen Veränderung der Stellgröße des Reaktanztransformators
6 zum Anpassen der Heizleistung bedarf es nicht, da dieser weiter in seinem Arbeitspunkt
bzw. im Bereich seiner vorgegebenen Arbeitspunkte betrieben wird. Der Reaktanztransformator
6 läßt sich jedoch zur Feineinstellung der Heizleistung heranziehen. Dabei unterbleibt
eine bedeutende Verkleinerung des Leistungsfaktors (cos ϕ) unterbleibt. Auf diese
Weise wird einem geringen Blindstromanteil Rechnung getragen, der eine aufwendige
Blindstromkompensation entbehrlich macht und nicht zuletzt die anfallenden Energiekosten
senkt. Die hochohmigen Widerstände der Heizelemente 8a, 8b, 8c unterstützen dies.
[0023] Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors (cos ϕ) während eines Heizvorgangs
gemäß dem Stand derr Technik. Ofen und Charge werden von Raumtemperatur (etwa 20°
C) auf eine Temperatur von 900° C erhitzt. Anhand des Temperaturverlaufs von Ofen
und Charge ist zu erkennen, daß die Charge dem Temperaturverlauf des Ofens zeitverzögert
folgt. Beim Aufheizen befindet sich der Reaktanztransformator 6 noch in seinem Arbeitspunkt,
welcher einen Leistungsfaktor von cos ϕ = 0,85 aufweist. Wie anhand von Figur 3 zu
erkennen ist, verändert sich der Arbeitspunkt des Reaktanztransformators beim Aufheizen,
mit der Folge, daß der Leistungsfaktor cos ϕ auf einen Wert von cos ϕ = 0,5 abfällt.
Mit dem Abfall des Leistungsfaktors cos ϕ erhöht sich dabei der Blindstromanteil und
damit die Blindleistung Q in unerwünschter Weise.
[0024] Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors cos ϕ für den Heizvorgang
gemäß Figur 3 beim Beheizen eines Ofens und einer Charge von Raumtemperatur (etwa
20° C) auf eine Behandlungstemperatur von 900° C. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Figur 4 wird der Umschaltzeitpunkt der primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators
6 von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit des Leistungsfaktors cos
ϕ bestimmt. Der Umschaltzeitpunkt t
um wird vorliegend in Abhängigkeit eines vorgegebenen, nicht zu unterschreitenden Leistungsfaktors
cos ϕ von 0,80 bestimmt. Beim Aufheizen des Ofens und der Charge verändert sich der
Arbeitspunkt des Reaktanztransformators 6, wodurch der zu Beginn des Heizvorgangs
einen Wert von 0,85 aufweisende Leistungsfaktor cos ϕ nach und nach abfällt. Bei Erreichen
und/oder Unterschreiten eines Leistungsfaktors cos ϕ von 0,80 werden die primärseitigen
Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 von Dreieckschaltung auf Sternschaltung
geschaltet. Durch die Umschaltung von Dreieckschaltung auf Sternschaltung nimmt der
Reaktanztransformator eine geringere elektrische Leistung aus dem Drehstromnetzwerk
auf. Dementsprechend reduziert sich die sekundärseitige elektrische Heizspannung und
damit Heizleistung und der Leistungsfaktor cos ϕ erhöht sich auf einen Wert von 0,95,
entsprechend einer reduzierten Blindleistung Q. Der Reaktanztransformator arbeitet
dabei, abgesehen von geringen Abweichungen, in seinem Arbeitspunkt. Die reduzierte
sekundärseitige Heizleistung genügt dabei den für das Halten bzw. geringere Ansteigen
der Ofen- bzw. Chargentemperatur erforderlichen Heizleistung für die in der zweiten
Heizphase stattfindende Wärmebehandlung metallischer Werkstücke. Nach dem Umschalten
von Dreieckschaltung auf Sternschaltung nimmt der Leistungsfaktor cos ϕ von dem im
Umschaltzeitpunkt gegebenen Leistungsfaktor cos ϕ = 0,95 nach und nach einen Leistungsfaktor
cos ϕ mit einem stabilen Wert von cos ϕ = 0,83 ein.
[0025] Den Umschaltzeitpunkt t
um der primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung in Abhängigkeit des Erreichens eines vorgegebenen Leistungsfaktors
cos ϕ stellt dementsprechend eine stromkostensenkende Maßnahme dar.
[0026] Figur 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors cos ϕ für den Heizvorgang
eines Ofens bzw. einer Charge von Raumtemperatur (etwa 20° C) auf eine Behandlungstemperatur
von etwa 900° C. Der Umschaltzeitpunkt der primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators
6 von Dreieckschaltung auf Sternschaltung wird dabei in Abhängigkeit von einer vorgebbaren
zeitlichen Änderung der Ofentemperatur bestimmt. Dabei wird die zeitliche Änderung
der Ofentemperatur ermittelt und bei Erreichen einer vorgebbaren zeitlichen Temperaturänderung
von Dreieckschaltung auf Sternschaltung umgeschaltet. Im Umschaltzeitpunkt steigt
der beim Aufheizen von einem Wert von 0,85 auf einen Wert unterhalb von 0,80 abgefallene
Leistungsfaktor cos ϕ auf einen Wert von 0,95 an und stabilisiert sich während der
zweiten Heizphase auf einen Wert von 0,83.
[0027] Figur 6 zeigt den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors cos ϕ für den entsprechenden
Heizvorgang eines Ofens bzw. einer Charge von Raumtemperatur (etwa 20° C) auf eine
Temperatur von 900° C. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 wird der Umschaltzeitpunkt
t
um der primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Chargentemperatur
bestimmt. Bei Erreichen einer zeitlichen Änderung der Chargentemperatur von δ t =
10° C werden die primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 von
Dreieckschaltung auf Sternschaltung umgeschaltet. Der während der ersten Heizphase
von einem Leistungsfaktor cos ϕ = 0,85 auf einen Wert unterhalb von 0,80 abgefallene
Leistungsfaktor cos ϕ steigt im Umschaltzeitpunkt t
um sprunghaft auf einen Leistungsfaktor cos ϕ von etwa 0,85 an und stabilisiert sich
während der zweiten Heizphase auf einen Leistungsfaktor cos ϕ = 0,83.
[0028] Durch das verfahrensgemäße automatische Umschalten der Verschaltung der primärseitigen
Spulenwicklungen von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von für den
Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern, gemäß Figur 4 in Abhängigkeit des
Leistungsfaktors cos ϕ, gemäß Figur 5 in Abhängigkeit der Ofentemperatur und gemäß
Figur 6 in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Chargentemperatur läßt sich
auf einfache und kostengünstige Art und Weise ohne aufwendige Blindleistungskompensationseinrichtungen
ein verhältnismäßig geringer Blindleistungsanteil erzielen. Der Umschaltzeitpunkt
der primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung ist dabei in weiten Bereichen individuellen Bedürfnissen des Heizvorgangs
anpaßbar.
[0029] Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung
der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
Bezugszeichenliste
[0030]
- 1a
- Stromstrang
- 1b
- Stromstrang
- 1c
- Stromstrang
- 2a
- Sicherungslasttrenner
- 2b
- Sicherungslasttrenner
- 3a
- Flach-Kupferleitung
- 3b
- Flach-Kupferleitung
- 4a
- Netzschütz
- 4b
- Dreieckschütz
- 4c
- Sternschütz
- 5a
- Flach-Kupferleitung
- 5b
- Flach-Kupferleitung
- 6
- Reaktanztransformator
- 7a
- Flach-Kupferleitung
- 7b
- Flach-Kupferleitung
- 7c
- Flach-Kupferleitung
- 8a
- Heizelement
- 8b
- Heizelement
- 8c
- Heizelement
- 9a
- Einzeltransformator
- 9b
- Einzeltransformator
- 9c
- Einzeltransformator
- S
- Scheinleistung
- P
- Wirkleistung
- Q
- Blindleistung
- RT
- Raumtemperatur
- tum
- Umschaltpunkt
- T
- Temperatur
1. Verfahren zum elektrischen Beheizen von Öfen für die Wärmebehandlung metallischer
Werkstücke, insbesondere von zum Plasmaaufkohlen odernitrieren einsetzbaren Vakuumöfen,
bei dem die Heizelemente (8a, 8b, 8c) eines Ofens mit einer Heizspannung versorgt
werden, die auf der Sekundärseite eines an ein Drehstromnetzwerk angeschlossenen Drehstromtransformators
(6) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die primärseitigen Spulenwicklungen des Drehstromtransformators (6) während einer
ersten Heizphase in Dreieckschaltung und während einer zweiten Heizphase in Sternschaltung
geschaltet werden, wobei der Umschaltzeitpunkt (tum) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von für den Heizvorgang
charakteristischen Betriebsparametern bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltzeitpunkt (tum) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit einer vorgebbaren Stellgröße
bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltzeitpunkt (tum) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit eines vorgebbaren Leistungsfaktors
(cos ϕ) bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen oder Unterschreiten eines Leistungsfaktors cos ϕ von 0,80 von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung umgeschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltzeitpunkt (tum) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der Ofentemperatur bestimmt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit einer zeitlichen Temperaturänderung der Ofentemperatur von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung umgeschaltet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltzeitpunkt (tum) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der Chargentemperatur
bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anpruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit einer zeitlichen Temperaturänderung die Chargentemperatur von Dreieckschaltung
auf Sternschaltung umgestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen während der ersten Heizphase auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt und
während der zweiten Heizphase auf einer für die geforderte Wärmebehandlung notwendigen
Behandlungstemperatur gehalten wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Schütz (4b, 4c) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung umgeschaltet
wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß von Heizelementen (8a, 8b, 8c) mit einem vergleichsweise hochohmigen Widerstand Gebrauch
gemacht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehstromtransformator ein variabel einstellbarer Reaktanztransformator (6) eingesetzt
wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspannung für die erste und zweite Heizphase durch Variieren der Stellgröße
des Reaktanztransformators (6) angepaßt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß während der ersten Heizphase eine Heizspannung von weniger als 60 Volt V, vorzugsweise
etwa 50 Volt V, und während der zweiten Heizphase eine Heizspannung von weniger als
35 Volt V, vorzugsweise etwa 30 Volt V, an die Heizelemente (8a, 8b, 8c) angelegt
wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein Drehstromnetzwerk mit einer Spannung von etwa 400 Volt V.