Hintergrund der Erfindung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch zu betreibende Induktionshärtungsanlage.
Die Anwendungsbereiche derartiger Anlagen sind weitgestreut von Härteanwendungen über
Schweiß- und Sinterprozessen bis hin zu speziellen Einsätzen wie die Erwärmung von
Materialien im Vakuum oder unter Schutzgas, welche mit der herkömmlichen Gaserwärmung
nicht zu realisieren wären. Die Induktionshärtung ist ein bewährtes Verfahren zur
Qualitätssteigerung von Präzisionsteilen aus Stahl, Stahlguss, oder Gusseisen. Dabei
wird das zu härtende Werkstück in sehr kurzer Zeit (ggf. Bruchteilen von Sekunden)
auf Rotglut gebracht und anschließend sofort wieder abgeschreckt. Als Abschreckmittel
werden Wasser, Luft, Öl oder Emulsionen eingesetzt. Bei der Härtung spielt der Kohlenstoffgehalt
im Eisen eine wichtige Rolle. Für einen nennenswerte Härte sollte der Kohlenstoffanteil
mindestens 0,35 % betragen.
[0002] Vor allem kompliziert geformte metallische Werkstücke werden lediglich in bestimmten
Bereichen durch Induktion auf erforderliche Härtetemperatur gebracht und anschließend
abgeschreckt. So entsteht in diesem Bereich, z.B. auf der Laufbahn von Kurvenscheiben,
ein harter, verschleißfester Stahl. Das Induktionshärten wird insbesondere automatisiert,
das heißt mit Handhabungseinrichtungen zum Be- und Entladen in der Großserienproduktion
zum Beispiel zum Härten von Zahnrädern, Nocken- und Kurbelwellen eingesetzt. Die Induktionserwärmung
wird auch eingesetzt, um lokale Bereiche eines gehärteten Werkstückes wieder anzulassen.
[0003] Bei der induktiven Erwärmung entsteht die Wärme im Werkstück selbst. Grundsätzlich
lassen sich mit der induktiven Erwärmung alle elektrisch leitenden Stoffe erwärmen.
In der Praxis werden hauptsächlich Metalle und Legierungen aufgrund ihrer guten elektrischen
Leitfähigkeit induktiv erwärmt.
[0004] Ein Induktor baut ein magnetisches Wechselfeld auf, wenn er von Wechselstrom durchflosssen
wird. Das zu bearbeitende Werkstück bildet eine kurzgeschlossene Spule. Wenn durch
den Induktor ein Wechselstrom fließt, wird in dem Werkstück eine Spannung induziert,
welche im Werkstück induzierte Wirbelströme zur Folge hat. Dieser Strom führt zu einer
Erwärmung des Materials des Werkstücks. Die Wärme gelangt hier nicht von der Oberfläche
her in das Werkstück, sondern sie entsteht in der zu härtenden Schicht. Beim Erwärmen
auf Härtetemperatur wechselt die Struktur des Eisengitters von kubisch-raumzentriert
zu kubisch-flächenzentriert. Die Kohlenstoffatome diffundieren ins Metallgitter. Durch
sehr schnelles Abkühlen (Abschrecken) klappt das Metallgitter wieder zurück, ohne
dass die Kohlenstoffatome ihre Position wechseln können. Die Kohlenstoffatome werden
im Metallgitter festgehalten. Die dadurch erzielte Verzerrung des Raumgitters macht
sich makroskopisch als Härtesteigerung des Materials bemerkbar. Durch diese Gefügeumwandlung
lassen sich Härte, Sprödigkeit, Zähigkeit, innere Spannungen u.ä. beeinflussen. Der
vorstehende Sachverhalt ist zur besseren Anschaulichkeit in Fig. 1a veranschaulicht.
[0005] Die Stromeindringtiefe und damit die Härtetiefe ist abhängig von der Betriebsfrequenz
der der Induktionsanlage. Sie nimmt mit zunehmender Frequenz aufgrund des sog. Skin-Effektes
ab. Je nach erforderlicher Härtetiefe bzw. Stromeindringtiefe wird die Betriebsfrequenz
der Induktionsanlage festgelegt. Der Bereich der anwendbaren Frequenzen wird in Niederfrequenz
(50 Hz - 500 Hz), Mittelfrequenz (500 Hz - 50 kHz) und Hochfrequenz (50 kHz - 30 MHz)
unterteilt. Damit sind Eindringtiefen zwischen 8 mm im Niederfrequenzbereich und etwa
bis 0,1 mm im Hochfrequenzbereich zu erzielen. Dieser Sachverhalt ist zur besseren
Anschaulichkeit in Fig. 1b veranschaulicht. Nicht bei Netzfrequenz arbeitende Induktionsanlagen
müssen diese Frequenzen mittels Frequenzwandlern aus der Netzfrequenz erzeugen. Dazu
stehen folgende Geräte zur Verfügung: Frequenzvervielfacher (statischer Frequenz-Umformer),
Thyristor-Umrichter und Transistor-Umrichter, HF-Transistor-Umrichter und (Röhren-)Hochfrequenzgenerator.
[0006] Kernstück jeder Induktionserwärmungsanlage bildet der Frequenzwandler oder Umrichter.
Der Umrichter versorgt den Induktor mit der aus der Netzfrequenz umgewandelten Nieder-,
Mittel- bzw. Hochfrequenz-Leistung. Der Induktor erwärmt hiermit die in ihn eingebrachten
Werkstücke. Halbleiter-Umrichter (Transistor-/ Thyristorumrichter) zeichnen sich durch
folgende Vorzüge aus: Durch den Einsatz von Halbleiterschaltern entfallen die Probleme
der Korossion in den internen Kühlkreisen. Ein Serien-Schwingkreis-Umrichter kann
relativ einfach und kostengünstig aufgebaut sein. Die Startbedingungen eines Serien-SchwingkreisUmrichters
sind auch bei schwierigen Anpass-Situationen (des Induktors an den Umrichter) relativ
unkritisch. Sein Wirkungsgrad kann auch im Teillastbereich ein relativ hohes Niveau
erreichen.
[0007] Wesentliche Vorteile der induktiven Erwärmung von Werkstücken sind der hohe Wirkungsgrad,
die hohe Wiederholgenauigkeit, die Möglichkeit der punktuellen Erwärmung ohne Peripherie
zu erwärmen, flexible Anpassungsmöglichkeiten der Anlage an verschiedenste Werkstücke.
Außerdem ist eine schnelle Erwärmung und ein hoher Durchsatz der Werkstücke realisierbar.
[0008] Weitere Vorteile sind die gleichmäßige Aufheizung der zu härtenden Stellen sowie
die kurzen Erwärmungszeiten und infolgedessen geringe Zunderbildung an den Werkstücken.
In vielen Fällen ist keine Nacharbeit erforderlich. Durch die kurzzeitige Erwärmung
wird Grobkornbildung durch Überzeiten oder Überhitzen vermieden. Die Wärmezufuhr ist
sicher zu beherrschen. Die erforderlichen Temperaturen können einfach erreicht und
eingehalten werden. Der Verzug der behandelten Werkstücke ist im allgemeinen gering.
Im Vergleich zur Einsatzhärtung können legierte Einsatzstähle durch billige Vergütungsstähle
ersetzt werden. Partielle Härtung ist meistens auch noch bei schwierigsten Werkstückformen
möglich. Das Aufstellen der Härtemaschinen und Umrichter/Generatoren kann direkt in
den Fertigungsstraßen erfolgen. Der Platzbedarf ist gering, die Bedienung im Serienbetrieb
ist einfach, die Arbeitswiese ist sauber und nicht gesundheitsgefährdend.
Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
[0009] Beim Einrichten einer Induktionshärtungsanlage für eine neue Härtungsaufgabe sind
eine Reihe von Parametern zu beachten: Ein Umrichter, dessen Ausgangsleistung mittels
Stelleinrichtungen an die neue Situation anzupassen ist, ein spezifisch geformtes
Werkstück mit weitgehend unbekannten Materialeigenschaften, ein dementsprechend geformter
Induktor mit einem meist unbekannten komplexen Widerstand (R+jωL+1/jωC), einem Betriebsstrom,
mit dem der Induktor zu beschicken ist (insbesondere dessen Strom, Spannung, Frequenz
und Leistung), die Verweildauer des Werkstückes im/beim Induktor bzw. die Fördergeschwindigkeit
des Werkstückes relativ zum Induktor, sowie die Parameter der Induktorkühlung (Art
des Kühlmediums, Temperatur, Volumenstrom, etc.) und der Werkstück-Abschreckbrause
(Art des Abschreckmediums, Temperatur, Volumenstrom, etc.), um nur einige zu nennen.
Deren Festlegung erfordert viel Erfahrung und detaillierte Kenntnisse des Härtungsprozesses
und der eingesetzten Anlage. Diese Erfahrung und Kenntnisse sind oftmals bei den Bedienern
der Induktionshärtungsanlage nicht im erforderlichen Maß vorhanden.
Aufgabe der Erfindung
[0010] Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Induktionshärtungsanlage bereitzustellen,
die es erlaubt auch ohne spezielle dies Kenntnisse eine Induktionshärtungsanlage für
eine neue Härtungsaufgabe zumindest nahezu optimal einzurichten.
Erfindungsgemäße Lösung
[0011] Zur Behebung dieser Nachteile lehrt die Erfindung einen Induktionserwärmungsanlage,
die durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist.
Aufbau, Weiterbildungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung
[0012] Eine Induktionserwärmungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung dient zur Wärmebehandlung
von elektrisch leitenden Werkstücken und ist ausgestattet mit einem, hinsichtlich
wenigstens einigen seiner Betriebsparameter durch Veränderung variabler Komponenten
steuerbaren Wechselstromumrichter, wenigstens einer mit dem Wechselstromumrichter
elektrisch zu verbindenden Härte-Induktionsspule, die eine an die Gestalt wenigstens
einer zu behandelnden Stelle der Werkstücke angepasste Form hat, um das Werkstück
zumindest an dieser Stelle in einem Härtungsvorgang mittels der Härte-Induktionsspule
zu erwärmen, wenn der Wechselstromumrichter die Härte-Induktionsspule mit elektrischer
Leistung beschickt und das Werkstück der Härte-Induktionsspule zugeführt ist, Messeinrichtungen,
die wenigstens einige der Betriebsparameter des Wechselstromumrichters erfassen, wobei
die Induktionshärtungsanlage dazu eingerichtet ist, sie mit einer elektronischen Rechnereinheit
zu verbinden, die in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern Vorgaben für
die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten erzeugt und an einer Ausgabeeinrichtung
ausgibt, um die Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter im Sinne einer
Optimierung der Leistungsaufnahme der Härte-Induktionsspule zu beeinflussen. Damit
ist es möglich, ohne spezifisches Wissen und Erfahrung um die Funktionsweise der Induktionshärtungsanlage
diese für neue Härtungsaufgaben (also das Festlegen der wesentlichen Betriebsparameter
der Induktionshärtungsanlage bei einer neuen Werkstückform mit einer entsprechend
gestalteten Härte-Induktionsspule) auszurüsten und einzurichten.
[0013] Dabei hat die Erfindung erkannt, dass den Parametern des Betriebsstroms, mit dem
der Induktor beschickt wird (Strom, Spannung, Frequenz, und Leistung), besondere Bedeutung
im Hinblick auf den Wirkungsgrad und der Leistungsaufnahme der Induktionshärtungsanlage
zukommt. Die Festlegung dieser Parameter ist entscheidend dafür, dass Schwingkreisumrichter
optimal arbeiten indem sie an ihre Last, also die Härte-Induktionsspule (und das mit
ihr bearbeitete Werkstück) angepasst werden. Die Erfindung macht sich dazu die Erkenntnis
zunutze, dass anfänglich eine praktisch beliebige Einstellung des Schwingkreisumrichters
als Ausgangspunkt verwendet werden kann, um die Betriebsparameter auch bei unbekannten
elektrischen Eigenschaften der Härte-Induktionsspule zu verbessern.
[0014] Dazu ist die elektronische Rechnereinheit eingerichtet und programmiert, auf ein
vorzugsweise vereinfachtes mathematisches Ersatzmodell des Wechselstromumrichters
zuzugreifen, das in der elektronischen Rechnereinheit bereitgehalten ist, wobei das
mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters zumindest den Einfluß von Veränderungen
wenigstens einer der variablen Komponenten auf wenigstens einen Betriebsparameter
des Wechselstromumrichters zu berücksichtigen eingerichtet ist.
[0015] Insbesondere kann die elektronische Rechnereinheit dazu eingerichtet und programmiert
sein, das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters mit einem beliebigen
Vorgaben-Satz für die wenigstens eine der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters
und einem Startwerte-Satz der Betriebsparameter durchzurechnen, wobei der Startwerte-Satz
der Betriebsparameter aus einem ersten Härtungsvorgang resultiert, um einen neuen
Vorgaben-Satz für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters
im Sinne einer Verbesserung der Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter
auszugeben.
[0016] Weiterhin kann die elektronische Rechnereinheit dazu eingerichtet und programmiert
sein, das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters mit einem verbesserten
Vorgaben-Satz für die wenigstens eine der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters
und einem Messwerte-Satz der Betriebsparameter durchzurechnen, wobei der Messwerte-Satz
der Betriebsparameter aus einem weiteren Härtungsvorgang resultiert, um einen neuen
Vorgaben-Satz für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters
im Sinne einer weiteren Verbesserung der Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter
auszugeben.
[0017] Schließlich kann die elektronische Rechnereinheit dazu eingerichtet und programmiert
sein, das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters nicht weiter durchzurechnen,
wenn keine relevante Änderung des Vorgaben-Satzes für die Veränderung wenigstens einer
der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters auftritt.
[0018] Erfindungsgemäß kann die variable Komponente des Wechselstromumrichters ein Schwingkreiskondensator
eines Schwingkreises, eine Schwingkreisinduktivität eines Schwingkreises oder ein
Übersetzungsverhältnis eines die Schwingkreisinduktivität enthaltenden Ausgangstransformators,
die Amplitude der Speisespannung einer Halbleiterbrückenanordnung, oder eine Schaltfrequenz
der Halbleiterbrückenanordnung sein.
[0019] Dabei kann bei der erfindungsgemäßen Induktionshärtungsanlage die variable Komponente
des Wechselstromumrichters in diskreten Stufen oder stufenlos zu verändern sein.
[0020] Der Wechselstromumrichter kann in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ein von
einer Brückenschaltung gespeister LC-Serienschwingkreis mit transformatorischer Leistungsauskopplung
sein, wobei der Schwingkreiskondensator und/oder das Übersetzungsverhältnis eines
die Schwingkreisinduktivität enthaltenden Ausgangstransformators in diskreten Stufen
oder stufenlos zu verändern ist. Der Wechselstromumrichter kann aber auch ein Parallelschwingkreis
sein oder auf einem andere elektrischen Schaltungs-/Funktionsprinzip basieren. Wesentlich
ist nur, dass es möglich ist, davon ein mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters
erstellt werden kann, das als Grundlage für die Berechnung eines verbesserten Vorgaben-Satzes
für die wenigstens eine der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters basierend
auf einem Messwerte-Satz der Betriebsparameter dienen kann.
[0021] Bei der erfindungsgemäßen Induktionshärtungsanlage ist der Wechselstromumrichter
in oder nahezu in Resonanz des Schwingkreises zu betreiben. Dabei hängt die Schwankung
der Betriebsfrequenz um den Resonanzpunkt zum einen von dem Prinzip des Wechselstromumrichter
ab und zum anderen davon, ob die Leistungsregelung durch gezieltes Verstimmen des
Wechselstromumrichter aus dem Resonanzpunkt erfolgt.
[0022] Erfindungsgemäß kann der Wechselstromumrichter auch so zu betreiben sein, dass die
der Härte-Induktionsspule zugeführte Wechselspannung und der der Härte-Induktionsspule
zugeführte Wechselstrom einen Phasenwinkel ϕ ≠ 0 zueinander haben.
[0023] Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden anhand
der nachstehenden Beschreibung erläutert, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug
genommen ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
[0024] In Fig. 1a ist das Prinzip einer erfindungsgemäßen Induktionshärtungsanlage schematisch
veranschaulicht.
[0025] In Fig. 1b ist die Abhängigkeit der Stromeindringtiefe/Härtetiefe von der Betriebsfrequenz
der Induktionsanlage aufgrund des sog. Skin-Effektes schematisch veranschaulicht.
[0026] In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Induktionshärtungsanlage als schematisches Blockschaltbild
veranschaulicht.
[0027] In Fig. 2a ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild eines Wechselstromumrichter
mit einem von einer Transistorvollbrückenschaltung gespeisten LC-Serienschwingkreis
mit transformatorischer Leistungsauskopplung sein.
[0028] In Fig. 2b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des Wechselstromumrichters aus
Fig. 2a und dessen vereinfachtes mathematisches Ersatzmodell.
Detaillierte Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen
[0029] In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß Induktionshärtungsanlage
schematisch veranschaulicht, wobei nur die Komponenten dargestellt und hier auch beschrieben
sind, welche für das Verständnis der Erfindung erforderlich sind.
[0030] Die Induktionshärtungsanlage dient zur Wärmebehandlung von elektrisch leitenden Werkstücken
10. Die Anlage hat einen Wechselstromumrichter 12, der in dieser Ausführungsform hinsichtlich
seiner Betriebsparameter Ausgangsspannung U, Ausgangsstrom I, Frequenz der Ausgangsspannung
f, Ausgangs(wirk)leistung P durch Veränderung zweier variabler Komponenten steuerbar
ist. Wie dies erfolgt, ist weiter unten im Detail erläutert.
[0031] Der Wechselstromumrichter 12 ist elektrisch mit einer Härte-Induktionsspule 14 verbunden.
Diese hat eine an die Gestalt des zu behandelnden Werkstücks 10 angepasste Form, um
das Werkstück 10 in einem Härtungsvorgang zu erwärmen. Dazu beschickt der Wechselstromumrichter
12 die Härte-Induktionsspule 14 mit elektrischer Leistung wenn/während das Werkstück
10 der Härte-Induktionsspule 14 zugeführt ist/wird.
[0032] Dem Wechselstromumrichter 12 sind mehrere Messeinrichtungen A1 .. An in Form von
Spannungs-, Strom-, Frequenzaufnehmern oder dergl. zugeordnet, um relevante Betriebsparameter
des Wechselstromumrichters 12 erfassen und ggf. in ein weiterverarbeitbares Format/
Datensignal umzusetzen.
[0033] Schließlich ist die Induktionshärtungsanlage mit einer elektronischen Rechnereinheit
ECU verbunden. Diese erzeugt in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern
Vorgaben für die Veränderung einer der variablen Komponenten Cs, Np und gibt diese
an einer Ausgabeeinrichtung 16 aus, um die Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichters
12 im Sinne einer Optimierung der Leistungsaufnahme der Härte-Induktionsspule 14 zu
beeinflussen.
[0034] Dies wird in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, das
die elektronische Rechnereinheit ECU dazu eingerichtet und programmiert ist, auf ein
vereinfachtes mathematisches Ersatzmodell des Wechselstromumrichters 12 zuzugreifen.
Dieses Ersatzmodell ist in der elektronischen Rechnereinheit ECU bereitgehalten und
ist ausgehend von der tatsächlichen Schaltung und Funktionsweise des Wechselstromumrichters
12 so modelliert; dass es den Einfluß von Veränderungen wenigstens einer der variablen
Komponenten des Wechselstromumrichters 12 auf wenigstens einen Betriebsparameter des
Wechselstromumrichters 12 zu berücksichtigen eingerichtet ist. Dabei ist mit anderen
Worten das Ersatzmodell in der Lage zu ermitteln, wie sich der Wechselstromumrichter
12 mit angeschlossener Härte-Induktionsspule 14 im Betrieb beim Härten eines Werkstückes
10 verhält, ohne dass im Einzelnen die Daten der Härte-Induktionsspule 14 (oder des
Wechselstromumrichter 12) bekannt sein müßten.
[0035] Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die die Induktionshärtungsanlage einen Wechselstromumrichter
12 mit einem von einer Transistor-Vollbrückenanordnung T1 .. T4 gespeister LC-Serienschwingkreis
mit transformatorischer Leistungsauskopplung. Der primäre Schwingkreiskondensator
Cp und das Übersetzungsverhältnis Np/Ns eines die Schwingkreisinduktivität Lp enthaltenden
Ausgangstransformators T ist dabei in diskreten Stufen zu verändern. Die Transistoren
T1 .. T4 können sog. FETen (
Feld Effekt Transisor) sein, deren Serienwiderstand im eingeschalteten Zustand mit R
DSON bezeichnet ist. Die (komplexen) Leitungswiderstände, welche insbesondere auf der
Sekundärseite nennenswert sein können, finden als Rz, Lz Berücksichtigung(siehe Fig.
2a).
[0036] Grundsätzlich sind folgende Komponenten des Wechselstromumrichters variabel gestaltbar:
- ein Schwingkreiskondensator Cp, Cs des Schwingkreises,
- eine Schwingkreisinduktivität Lp, Ls eines Schwingkreises oder
- ein Übersetzungsverhältnis Np/Ns eines Ausgangstransformators T,
- die Amplitude der Speisespannung einer Halbleiterbrückenanordnung T1 .. T4, oder
- eine Schaltfrequenz der Halbleiterbrückenanordnung T1 .. T4.
[0037] Anstatt die variable(n) Komponente(n) des Wechselstromumrichters in diskreten Stufen
zu verändern, kann dies auch stufenlos möglich sein. Im vorliegenden Beispiel ist
der Wechselstromumrichter zumindest nahezu in Resonanz des Schwingkreises zu betreiben.
In diesem Fall gilt, dass die Betriebsfrequenz ω = ω
res = 2•pi•f = 1/(L'•C')
½ ist.
[0038] Nachstehend ist erläutert, wie die elektronische Rechnereinheit ECU in Abhängigkeit
von den erfassten Betriebsparametern Vorgaben für die Veränderung einer der variablen
Komponenten Cs, Np ermittelt um die Leistungsabgabe des Wechselstromumrichters zu
optimieren.
(A) Dazu ist die elektronische Rechnereinheit ECU mit einer Computer-Softwareprogramm-Komponente
ausgestattet, die das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters 12 mit
einem beliebigen Vorgaben-Satz aus einem für die variablen Komponenten des Wechselstromumrichters
gültigen Wertebereich und einem Startwerte-Satz der Betriebsparameter durchrechnet.
Dabei stammt der Startwerte-Satz der Betriebsparameter aus den Messeinrichtungen A1
.. An in Form von Spannungs-, Strom-, Frequenzwerten während eines ersten Härtungsvorganges
und dient dazu, einen neuen Vorgaben-Satz für die Veränderung einer der variablen
Komponenten des Wechselstromumrichters im Sinne einer Verbesserung der Leistungsabgabe
des steuerbaren Wechselstromumrichter auszugeben.
(B) Dieser neue, verbesserte Vorgaben-Satz wird dem Wechselstromumrichter zugeführt,
indem seine variablen Komponenten entsprechend gestellt werden. Anschließend wird
ein neuer Härtungsvorgang durchgeführt und die dabei erhaltenen Betriebsparameter
aus den Messeinrichtungen A1.. An in Form von Spannungs-, Strom-, Frequenzwerten erfaßt.
Mit diesem erhaltenen Messwerte-Satz der Betriebsparameter wird das mathematische
Ersatzmodell des Wechselstromumrichters erneut durchgerechnet, um einen neuen Vorgaben-Satz
für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters
im Sinne einer weiteren Verbesserung der Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichters
auszugeben.
[0039] Dieser vorstehend beschriebene Vorgang (B) wird so oft wiederholt, bis keine relevante
Änderung des Vorgaben-Satzes für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten
des Wechselstromumrichters auftritt.
[0040] Nachstehend wird anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels die Funktionsweise der
Erfindung weiter verdeutlicht:
Ein Wechselstromumrichter hat eine vereinfachte Schaltung wie in Fig 2a, 2b gezeigt
und hat außerdem folgende Basisdaten:
- Pmax: 90 kWatt
- Umax: 300 Volt
- Imax: 450 Ampere
Die variablen Komponenten des Wechselstromumrichters sind das Übersetzungsverhältnis
Np/Ns des Transformators T mit einem Wertebereich von 4/1, 6/1, 8/1, 10/1, 13/1 und
16/1 als möglichen Einstellungen sowie der Sekundärkondensator Cs des Schwingkreises
mit einem Wertebereich von 8 ... 51 * 0,33 microFarad als möglichen Einstellungen.
Die Schwingkreisgüte Q ergibt sich zu

[0041] Zuerst werden die variablen Komponenten des Wechselstromumrichters auf die (beliebigen
Vorgabenwerte (Np/Ns)
ist := 4/1 und Cs
ist := 30 * 0,33 microFarad gesetzt. Dann wird ein erster Härtungsvorgang ausgeführt.
Hierbei wird ein Startwerte-Satz der Betriebsparameter aus den Messeinrichtungen A1
.. An in Form von Spannungs- und Stromwerten ermittelt. Im Beispiel wurde U
ist: 75 Volt und I
ist: 450 Ampere ermittelt. Dieser Startwerte-Satz dient als Eingangsgröße für das mathematische
Ersatzmodell, bei dem das optimale Übersetzungsverhältnis (Np/Ns)
opt des Transformators T sich ergibt zu

[0042] Mit den vorliegenden Daten wird ein (Np/Ns)
opt = 8 bestimmt.
Dieser neue Wert wird (bei unverändertem Sekundärkondensator Cs) dem Wechselstromumrichter
zugeführt, in dem automatisch oder manuell das Übersetzungsverhältnis Np/Ns des Transformators
T auf 8/1 gestellt wird.
[0043] Mit diesen Werten wird ein neuer Härtungsvorgang gestartet und erneut ein Startwerte-Satz
der Betriebsparameter aus den Messeinrichtungen A1 .. An in Form von Spannungs- und
Stromwerten ermittelt. Im Beispiel wurde U
ist: 140 Volt und I
ist: 306 Ampere ermittelt. Dieser Startwerte-Satz dient wieder als Eingangsgröße für
das mathematische Ersatzmodell. Mit den vorliegenden Daten wird das optimale Übersetzungsverhältnis
(Np/Ns)
opt des Transformators T von 9,32 (= ungefähr 10) ermittelt.
[0044] Dieser neue Wert T= 10 wird (bei unverändertem Sekundärkondensator Cs) dem Wechselstromumrichter
zugeführt, in dem automatisch oder manuell das Übersetzungsverhältnis Np/Ns des Transformators
T auf 10/1 gestellt wird.
[0045] Mit diesen Werten wird ein neuer Härtungsvorgang gestartet und erneut ein Startwerte-Satz
der Betriebsparameter aus den Messeinrichtungen A1 .. An in Form von Spannungs- und
Stromwerten ermittelt. Im Beispiel wurde U
ist: 185 Volt und I
ist: 243 Ampere ermittelt. Dieser Startwerte-Satz dient wieder als Eingangsgröße für
das mathematische Ersatzmodell. Mit den vorliegenden Daten wird das optimale Übersetzungsverhältnis
(Np/Ns)
opt des Transformators T von 9,35 ermittelt.
[0046] Da sich an der Einstellung des Übersetzungsverhältnisses (Np/Ns) des Transformators
T von 10/1 nichts ändert, ist dies auch keine relevante Änderung des Vorgaben-Satzes
für die Veränderung des Übersetzungsverhältnis (Np/Ns)
opt des Transformators T des Wechselstromumrichters. Mithin ist die Einstellung der variablen
Komponenten im Sinne einer optimalen (=maximalen) Leistungsabgabe des Wechselstromumrichters
erreicht.
[0047] Sofern eine Änderung der Frequenz des Wechselstromumrichters angestrebt wird um zum
Beispiel die Härtetiefe für das Werkstück zu variieren, kann dies durch die Veränderung
des Kondensators C' erfolgen, wobei auch hierzu die elektronische Rechnereinheit ECU
mit einer Computer-Softwareprogramm-Komponente ausgestattet ist, die das mathematische
Ersatzmodell des Wechselstromumrichters 12 mit einem beliebigen Vorgaben-Satz aus
einem für die variablen Komponenten des Wechselstromumrichters gültigen Wertebereich
und einem Startwerte-Satz der Betriebsparameter durchrechnet. Hierbei werden die für
das mathematische Ersatzmodell geltenden Beziehungen verwendet:

[0048] Es versteht sich weiterhin, dass die vorstehenden Beziehungen, welche explizit für
Serien-schwingkreis-Umrichter gelten, entsprechend auch für Parallelschwingkreis-Umrichter
abgewandelt werden können und dann in der die elektronische Rechnereinheit ECU als
Computer-Softwareprogramm-Komponente eingesetzt werden können.
1. Eine Induktionshärtungsanlage zur Wärmebehandlung von elektrisch leitenden Werkstücken
(10), mit
- einem, hinsichtlich wenigstens einigen seiner Betriebsparameter (U, I, f, P) durch
Veränderung variabler Komponenten (Cs, Np) steuerbaren Wechselstromumrichter (12),
- wenigstens einer mit dem Wechselstromumrichter (12) elektrisch zu verbindenden Härte-Induktionsspule
(14), die eine an die Gestalt wenigstens einer zu behandelnden Stelle der Werkstücke
(10) angepasste Form hat, um das Werkstück (10) zumindest an dieser Stelle in einem
Härtungsvorgang mittels der Härte-Induktionsspule (14) zu erwärmen, wenn der Wechselstromumrichter
(12) die Härte-Induktionsspule (14) mit elektrischer Leistung beschickt und das Werkstück
(10) der Härte-Induktionsspule (14) zugeführt ist,
- Messeinrichtungen (A1 .. An), die wenigstens einige der Betriebsparameter des Wechselstromumrichters
(12) erfassen, wobei
- die Induktionshärtungsanlage dazu eingerichtet ist, sie mit einer elektronischen
Rechnereinheit (ECU) zu verbinden, die in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern
Vorgaben für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten (Cs, Np) erzeugt
und an einer Ausgabeeinrichtung (16) ausgibt, um die Leistungsabgabe des steuerbaren
Wechselstromumrichter (12) im Sinne einer Optimierung der Leistungsaufnahme der Härte-Induktionsspule
(14) zu beeinflussen.
2. Die Induktionshärtungsanlage nach Anspruch 1, bei der die elektronische Rechnereinheit
(ECU) dazu eingerichtet und programmiert ist, auf ein vorzugsweise vereinfachtes mathematisches
Ersatzmodell des Wechselstromumrichters (12) zuzugreifen, das in der elektronischen
Rechnereinheit (ECU) bereitgehalten ist, wobei das mathematische Ersatzmodell des
Wechselstromumrichters (12) zumindest den Einfluß von Veränderungen wenigstens einer
der variablen Komponenten (Cs, Np) auf wenigstens einen Betriebsparameter des Wechselstromumrichters
(12) zu berücksichtigen eingerichtet ist.
3. Die Induktionshärtungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der die elektronische Rechnereinheit
(ECU) dazu eingerichtet und programmiert ist, das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters
(12) mit einem beliebigen Vorgaben-Satz für die wenigstens eine der variablen Komponenten
(Cs, Np) des Wechselstromumrichters (12) und einem Startwerte-Satz der Betriebsparameter
durchzurechnen, wobei der Startwerte-Satz der Betriebsparameter aus einem ersten Härtungsvorgang
resultiert, um einen neuen Vorgaben-Satz für die Veränderung wenigstens einer der
variablen Komponenten (Cs, Np) des Wechselstromumrichters (12) im Sinne einer Verbesserung
der Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter (12) auszugeben.
4. Die Induktionshärtungsanlage nach Anspruch 3, bei der
- die elektronische Rechnereinheit (ECU) dazu eingerichtet und programmiert ist, das
mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters (12) mit einem verbesserten
Vorgaben-Satz für die wenigstens eine der variablen Komponenten (Cs, Np) des Wechselstromumrichters
(12) und einem Messwerte-Satz der Betriebsparameter durchzurechnen, wobei der Messwerte-Satz
der Betriebsparameter aus einem weiteren Härtungsvorgang resultiert, um einen neuen
Vorgaben-Satz für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten (Cs,
Np) des Wechselstromumrichters (12) im Sinne einer weiteren Verbesserung der Leistungsabgabe
des steuerbaren Wechselstromumrichter (12) auszugeben.
5. Die Induktionshärtungsanlage nach Anspruch 3 oder 4, bei der
- die elektronische Rechnereinheit (ECU) dazu eingerichtet und programmiert ist, das
mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters (12) nicht weiter durchzurechnen,
wenn keine relevante Änderung des Vorgaben-Satzes für die Veränderung wenigstens einer
der variablen Komponenten (Cs, Np/Ns) des Wechselstromumrichters (12) auftritt.
6. Die Induktionshärtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die
variable Komponente des Wechselstromumrichters (12)
- ein Schwingkreiskondensator (Cs) eines Schwingkreises,
- eine Schwingkreisinduktivität (Lp, Ls) eines Schwingkreises oder
- ein Übersetzungsverhältnis (Np/Ns) eines die Schwingkreisinduktivität enthaltenden
Ausgangstransformators (T),
- die Amplitude der Speisespannung einer Halbleiterbrückenanordnung (T1 .. T4), oder
- eine Schaltfrequenz der Halbleiterbrückenanordnung (T1 .. T4) ist.
7. Die Induktionshärtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die
variable Komponente (Cs, Np/Ns) des Wechselstromumrichters (12) in diskreten Stufen
oder stufenlos zu verändern ist.
8. Die Induktionshärtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der
Wechselstromumrichter (12) ein von einer Brückenschaltung gespeister LC-Serienschwingkreis
mit transformatorischer Leistungsauskopplung ist, wobei der Schwingkreiskondensator
und/oder das Übersetzungsverhältnis eines die Schwingkreisinduktivität enthaltenden
Ausgangstransformators in diskreten Stufen oder stufenlos zu verändern ist.
9. Die Induktionshärtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der
Wechselstromumrichter (12) in oder nahezu in Resonanz des Schwingkreises zu betreiben
ist.
10. Die Induktionshärtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der
Wechselstromumrichter (12) so zu betreiben ist, dass die der Härte-Induktionsspule
(14) zugeführte Wechselspannung und der der Härte-Induktionsspule (14) zugeführte
Wechselstrom einen Phasenwinkel (ϕ ≠ 0) zueinander haben.