DE19538261A1

DE19538261A1 - Verfahren zum induktiven Beheizen einer Galette und induktiv beheizte Galette

Info

Publication number: DE19538261A1
Application number: DE1995138261
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr Schlueter; Martin Willimzik
Original assignee: NEUMAG GmbH; NEUMAG Neumuenstersche Maschinen und Anlagenbau GmbH
Current assignee: Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2015-10-14
Also published as: DE19538261C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum induktiven Beheizen einer Galette gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1 und eine induktiv beheizte Galette gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Bei einem aus der DE-C 43 13 837 bekannten Verfahren zum induktiven Beheizen einer Galette mit mehreren axial hintereinander angeordneten Heizzonen wird die Heizleistung den Heizzonen separat zugeführt und gruppenweise in Abhängigkeit von einer im Galettenmantel gemessenen Temperatur geregelt. Dieses Verfahren, mit dem ein sehr konstantes Temperaturprofil erreicht wird, benötigt verhältnismäßig viel Energie. Die aus der DE-C 43 13 837 bekannte Galette weist in jeder Heizzone auf einem Stator angeordnete Primärwicklungen und als Kupfer ausgebildete in den Galettenmantel eingesetzte Sekundärwicklungen auf und ist durch die Sekundärwicklungen aufwendig herzustellen.

Aus der DE-A 16 60 215 ist eine Galette bekannt, deren Galettenmantel keine definierte Sekun därwicklungen aufweist. Die Heizleistung wird durch Steuerung des Speisestroms der Induk tionsspule, d. h. der Primärwicklung, über einen Regler in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur zugeführt. Auch dieses Verfahren zum induktiven Beheizen der Galette ist energie aufwendig.

Aus der DE-A 34 15 967 ist ein Verfahren zum Beheizen von ferromagnetischen Materialien mit einer Primärspule, die mit einem Wechselstrom gespeist wird, bekannt. Bei diesem Verfahren wird zur Temperaturregelung die Frequenz des Primärstroms in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur variabel gesteuert. Dabei kann die Impulsfrequenz und/oder die Impulsdauer in Ab hängigkeit von der gemessenen Temperatur variiert werden.

Ein gattungsgemäßes Verfahren, das weniger Energie zum Beheizen einer Galette benötigt, und eine gattungsgemäße Galette ohne definierte Sekundärwicklungen ist aus der EP-B 511 549 be kannt. Zum Beheizen der Galette werden die Primärwicklungen mit einem Wechselstrom fest ein stellbarer Wechselstromfrequenz von mindestens 300 Hz betrieben. Die Primärwicklungen sind in einem Schwingkreis eingeschlossen, der auf die eingestellte Wechselstromfrequenz abgestimmt ist.

Die Stromversorgung besteht aus einer Wechselspannungsquelle und einem von dieser gespeisten Gleichspannungszwischenkreis, von dem aus der Schwingkreis über Leistungsschalter mit vorge gebener Impulsfolge ansteuerbar ist. Die Ansteuerung erfolgt, in dem die Leistungsschalter von einem zugeordneten Temperaturregler in Abhängigkeit von der im Bereich der Primärwicklung gemessenen Temperatur bei Unterschreiten einer vorgegebenen Solltemperatur eingeschaltet und mit der Impulsfolge angesteuert und bei Überschreiten einer vorgegebenen Solltemperatur ausge schaltet werden.

Die Resonanzfrequenzen der Schwingkreise, in denen die Primärwicklungen eingeschlossen sind, ändern sich während des Betriebes der Galette. Eine solche Änderung kann bei fest eingestellter Wechselstromfrequenz beim Betreiben der Galette zu einem Absinken der zur Erwärmung des laufenden Fadens zur Verfügung stehenden Heizleistung führen.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum induktiven Beheizen einer Galette gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine induktiv beheizte Galette gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 zu entwickeln, die eine weitere Senkung des Energiebedarfs ermöglichen.

Die Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 5 ge löst.

Bei der Bestimmung der Ansteuerfrequenz in Abhängigkeit von der gemessenen Resonanzfre quenz des Schwingkreises gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 wird die Resonanzsequenz gemessen und ihr um einen bestimmten Betrag erhöhter, der Ansteuerfrequenz entsprechender Wert mit einem Sollwert der Ansteuersequenz verglichen. Als Sollwert der Ansteuerfrequenz wird ein um den obengenannten Betrag erhöhter Wert der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bei mittlerer Last genommen. Je nach Vergleichsergebnis wird die ausgegebene Ansteuersequenz erhöht oder abgesenkt.

Eine Bestimmung der Ansteuerfrequenz gemäß Anspruch 1 und eine entsprechende Frequenzrege leinrichtung gemäß Anspruch 5 garantieren, daß die Primärwicklungen der Galette immer mit ei ner um wenig oberhalb der Resonanzfrequenz liegenden Frequenz angesteuert wird. D.h. die Ga lette wird immer mit einer Frequenz angesteuert, die einen möglichst hohen Energieübertrag er möglicht.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 2 ist besonders für Galetten mit mehreren Heizzonen geeignet. Durch die Geometrie der Galette unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen der einzelnen Heiz zonen bei sonst gleichen Schaltelementen der Schwingkreise etwas. Da jedoch immer mit einem Sollwert, der um einen bestimmten Betrag größer ist als die einzelnen Resonanzfrequenzen vergli chen wird, genügt es, nur den Mittelwert der gemessenen Resonanzfrequenzen zum Vergleich heranzuziehen. Damit wird nur ein Regler für die Frequenzregelung benötigt.

Eine Temperaturregelung gemäß Anspruch 3, bei der die Leistungsschalter taktweise ein- und ausgeschaltet werden und die Länge der Einschaltzeit innerhalb eines Taktes in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur bestimmt wird, ermöglicht ein energetisch günstiges Beheizen der Galette auch bei niedriger Last, z. B. bei niedriger Galettentemperatur, und zu geringen Tempera turschwankungen auf der Oberfläche der Galette. Die Taktlänge kann 200 bis 5000 ms, z. B. 500 ms, bei Einschaltzeiten von 1 bis 100% eines Taktes betragen.

Bei hohen Ansteuerfrequenzen von 3 bis 50 kHz zur Speistung der Primärwicklungen gemäß An spruch 4 und damit bei hohen Änderungen der magnetischen Flußdichte kann die Heizleistung bei geringerer Flußdichte auf den Galettenmantel übertragen werden. Da Ferrite nur geringere Fluß dichten ermöglichen, sich jedoch durch besonders geringe Verlustleistungen bei hohen Frequenzen auszeichnen, kann ein Verfahren nach Anspruch 4 besonders gut für Galetten mit Ferritkernen nach den Ansprüchen 6 bis 9 eingesetzt werden. Besonders gut sind Ansteuerfrequenzen von 20 bis 40 kHz geeignet.

Eine Galette gemäß Anspruch 5 ist zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 geeignet.

Die Ausbildung der Kerne für die Primärwicklungen gemäß Anspruch 6 als Ferrite führt zu einer weiteren Energieersparnis. Bei einer induktiven Beheizung, bei der Primärspulen mit einem Wech selstrom hoher Frequenz gespeist werden, treten bei Verwendung von Eisenkernen durch Erwärmung der Kerne hohe elektrische Verluste auf. Diese elektrischen Verluste werden durch die Verwendung von Ferriten stark reduziert.

Von Vorteil ist auch, daß bei Verwendung von Ferriten die Kerne mit geringerem Durchmesser und damit das Tragrohr, auf dem Kerne und Primärwicklungen angeordnet sind, mit etwas größe rem Durchmesser ausgebildet werden können. Ein stabileres Tragrohr mit dünnwandigen Kernen und Primärwicklungen führt zu einer steiferen Galette, deren Biegeresonanz erst bei höheren Ga lettengeschwindigkeiten erreicht wird. Damit ermöglicht die Verwendung von Ferritkernen ein Betreiben der Galetten bei höheren Geschwindigkeiten.

Ferritkerne in Form von U-förmigen Profilen sind gut verfügbar. Die Ausbildung des Tragrohres und die Anordnung der U-förmigen Ferritkerne gemäß Anspruch 7 ermöglicht daher einen ko stengünstigen Einsatz von Ferritkernen. Eine Galette gemäß Anspruch 8 ist für größere Galetten mit mehreren Heizzonen geeignet. Die Ausbildung der Ferritkerne einer äußeren Heizzone mit einseitig auf ihren einer Stirnplatte des Galettenmantels zugewandten Seite in radialer Richtung weniger Material gemäß Anspruch 9, beispielsweise in Form von L-förmigen Profilen, ermöglicht eine Beheizung der Stirnfläche der Galette und damit ein gleichmäßigeres Temperaturprofil.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Beispiels weiter er läutert. Fig. 1 zeigt für die Erfindung wesentliche Teile einer Galette anhand eines Schnittes parallel zur Drehachse und Fig. 2 anhand eines Schnittes senkrecht zur Drehachse. In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Schaltung zum induktiven Beheizen der Galette dargestellt.

Eine induktiv beheizte Galette weist ein feststehendes, dünnwandiges Tragrohr 1, am Außenum fang des Tragrohres 1 angeordnete Ferritkerne 2 mit Primärwicklungen 3 sowie einen drehbaren Galettenmantel 4 auf.

Das Tragrohr 1 ist über einen Bund 5 am Gehäuse 6 befestigt. Der Querschnitt des Tragrohres 1 hat die Form eines Achtecks. Die Ferritkerne 2 sind als U-förmige Profile mit jeweils einer Bo denplatte 7 und zwei Schenkeln 8 ausgebildet. Jeweils acht Ferritkerne 2 sind auf einer Umfangs linie des Tragrohres so verteilt, daß die Außenflächen ihrer Bodenplatten 7 auf den Flächen des Achtecks des Tragrohres 1 aufliegen. Durch das Innere der acht auf einer Umfangslinie angeord neten, eine Heizzone bildende U-Profile der Ferritkerne 2 verläuft eine Primärwicklung 3. Die Galette weist sechs in axialer Richtung angeordnete Heizzonen auf, dementsprechend sind jeweils sechs Ferritkerne 2 in axialer Richtung Schenkel an Schenkel nebeneinander angeordnet.

Eine Heizzone kann einen Ferritkern oder mehrere auf dem Umfang des Tragrohres verteilte Fer ritkerne 2 aufweisen. Bei einer größeren Anzahl der Ferritkerne 2 ist der Querschnitt des Tragroh res 1 als ein der Anzahl der Ferritkerne 2 entsprechendes Vieleck ausgebildet. Eine Galette kann nur eine Heizzone aufweisen, sie kann aber auch in bis zu 20 Heizzonen unterteilt sein.

Die Ferritkerne 2 der äußeren, dem Gehäuse 6 abgewandten Heizzone weisen einseitig, auf der der Stirnplatte 10 des Galettenmantel 4 zugewandten Seite in radialer Richtung weniger Material auf. Sie sind beispielsweise als L-förmige Profile 9, deren Form sich aus den U-Profilen ohne äu ßeren Schenkel 8 ergibt, ausgebildet.

Die Ferritkerne 2 können aus Nickelzink- oder Manganzinklegierungen hergestellt sein. Sie sollten eine Curie-Temperatur von etwa 200°C, eine Sättigungsinduktion von 480 bis 500 mT und eine Verlustleistung bei 16 kHz und 25°C kleiner als 0,5 W/cm² aufweisen.

Der als Hohlzylinder ausgebildete Galettenmantel 4 ist auf der dem Gehäuse abgewandten Seite mit einer, beispielsweise angeweißten, Stirnplatte 10 versehen und über diese Stirnplatte 10 an einem im Inneren des Tragrohres 1 angeordneten und mit einem nicht dargestellten Motor ver bundenen Innenrohr 11 befestigt. Der Innendurchmesser des Galettenmantels 4 ist etwas größer als eine durch die äußeren Kanten der Ferritkerne 2 verlaufende Umfangslinie. Über einen sich bis zu 90% der Länge erstreckenden Bereich weist der Galettenmantel 4 eine Bohrung 12 auf, in die auf Höhe jeder Heizzone Temperaturmeßfühler 13 eingesetzt ist. Die Temperaturmeßfühler 13 sind an Leitungen 14, die durch eine Bohrung 15 in der Stirnplatte 10 des Galettenmantels 4 durch das Innere des Tragrohres 1 zu einer Regelvorrichtung geführt sind, angeschlossen.

Eine erfindungsgemäße Galette weist außerdem, wie in der Schaltung Fig. 3 dargestellt, eine Stromversorgung mit einer Wechselspannungsquelle 16 mit drei Phasen L1, L2 und L3, einen Gleichrichter 17, einen Gleichspannungszwischenkreis 18, pro Heizzone je zwei als Transistoren ausgebildete Leistungsschalter 19, 20 und einen Schwingkreis mit der Primärwicklung 3, einem Kondensator 21 und Kondensatoren 22, 23 sowie eine Regelvorrichtung mit einer Temperaturre geleinrichtung für jede Heizzone, einer Frequenzregeleinrichtung und einer Ansteuerung 24, deren Eingänge mit den Ausgängen der Temperaturregeleinrichtungen und mit dem Ausgang der Fre quenzregeleinrichtung und deren Ausgänge mit den Leistungsschaltern 19, 20 verbunden sind, auf. Die Leistungsschalter 19, 20 sind in Reihe mit derselben Durchflußrichtung zwischen die beiden Phasen des Gleichstromzwischenkreises 18 geschaltet.

Die Temperaturregeleinrichtungen sind mit den Temperaturmeßfühlern 13 der einzelnen Heizzo nen verbunden. Eine Temperaturregeleinrichtung weist eine Vergleichsstelle 25, an der die gemes sene Temperatur mit der Solltemperatur 26 verglichen wird, einen PI-Regler 27 und eine an die Ansteuerung 24 angeschlossenen Taktgeber 28 auf.

Die Frequenzregeleinrichtung weist einen Summierer 29, dessen Eingang mit zwischen den Pri märwicklungen 3 und den Kondensatoren 21 angeordneten Strommeßeinrichtungen 30 verbunden ist, einen Schmitt-Trigger 31, eine Vergleichsstelle 32 zum Vergleich eines der mittleren gemesse nen Resonanzfrequenz entsprechenden Spannungswertes mit dem Sollwert der Ansteuerfrequenz 33, einen Intergrierer 34, eine Vergleichsstelle 35 zum Vergleich eines einer mittleren Phase ent sprechenden Spannungswertes mit seinem Sollwert 36, einen PI-Regler 37 und einen Spannungs- Frequenzwandler 38 auf. Dabei sind jeweils die Taktgeber 28 der Temperaturregeleinrichtungen und der Spannungsfrequenzwandler 38 über ein UND-Glied 38 an die Ansteuerung 24 ange schlossen.

Im Betrieb wird eine Galette mit auf einem Tragrohr 1 in Ferritkernen 2 angeordneten Primärwick lungen 3 und mit einem drehbaren, aus magnetisch leitendem Material bestehenden Galettenmantel 4 ohne definierte Sekundarwicklungen mit einem Wechselstrom, dessen Ansteuerfrequenz minde stens 300 Hz beträgt, gespeist.

Die Energiezufuhr erfolgt durch eine Wechselspannungsquelle 16 mit drei Phasen L1, L2 und L3. Der Wechselstrom wird im Gleichrichter 17 gleichgerichtet und geglättet. Die in den dadurch ge bildeten Gleichspannungszwischenkreis 18 geschalteten Schwingkreise, in denen die Primärwick lungen 3 die Induktivitäten bilden, werden durch die Ansteuerung 24 über die Leistungsschalter 19, 20 angeregt.

Dabei werden die Leistungsschalter 19, 20 taktweise ein- und ausgeschaltet. Die Länge eines Taktes beträgt beispielsweise 500 ms. Die Einschaltdauer wird für jede Heizzone durch die Tem peraturregeleinrichtung aus dem Vergleich von der in der Heizzone gemessenen Temperatur und ihrem Sollwert auf einen Wert zwischen 1 und 100% der Taktlänge bestimmt. Fordert beispiels weise ein PI-Regler 27 50% Leistung an, so wird der Schwingkreis 250 ms eingeschaltet. Dies führt auch zur Verringerung der Schwankungsbreite der Temperatur auf der Oberfläche der Galet te. Die Ansteuerfrequenz wird für alle Heizzonen gleich aus dem Vergleich des Mittelwertes der gemessenen Ansteuerfrequenzen, d. h. um einen bestimmten Betrag erhöhten Mittelwertes der gemessenen Resonanzfrequenz, der Heizzonen und ihrem Sollwert, der bei etwa 30 kHz liegt, bestimmt. Als Sollwert der Ansteuerfrequenz wir zum Beispiel ein um den obengenannten Betrag erhöhter Mittelwert der Resonanzfrequenzen bei mittlerer Last genommen.

Die Übertragung der Heizleistung erfolgt überwiegend durch den hohen Wert der Änderung der magnetischen Flußdichte und durch die Verwendung von Ferritkernen bei äußerst geringer Ver lustleistung. In der äußersten Heizzone wird durch die Form der Ferritkerne 2 als L-Profile 9 min destens 10% des Hauptflußes durch die Stirnplatte 10 des Galettenmantels 4 geleitet. Die sich dadurch erwärmte Stirnplatte 10 ermöglicht ein gleichmäßiges Temperaturprofil entlang der Galet te.

Bezugszeichenliste

1 Tragrohr
2 Ferritkerne
3 Primärwicklungen
4 Galettenmantel
5 Bund des Tragrohres
6 Gehäuse
7 Bodenplatte
8 Schenkel
9 L-förmiges Profil
10 Stirnplatte
11 Innenrohr
12 Bohrung
13 Temperaturmeßfühler
14 Leitung
15 Bohrung
16 Wechselspannungsquelle
17 Gleichrichter
18 Gleichspannungszwischenkreis
19 Leistungsschalter
20 Leistungsschalter
21 Kondensator
22 Kondensator
23 Kondensator
24 Ansteuerung
25 Vergleichsstelle
26 Solltemperatur
27 PI-Regler
28 Taktgebers
29 Summierer
30 Strommeßeinrichtung
31 Stromwandler
32 Vergleichsstelle
33 Sollwert
34 Integrierer
35 Vergleichsstelle
36 Sollwert
37 PI-Regler
38 Spannungs-Frequenzwandler
39 UND-Glied

Claims

1. Verfahren zum induktiven Beheizen einer Galette mit auf einem Tragrohr angeordneten Pri märwicklungen und einem um das Tragrohr drehbar angeordneten Galettenmantel aus magne tisch leitendem Material ohne definierte Sekundärwicklungen,
wobei die Primärwicklungen mit einem Wechselstrom mit einer Ansteuerfrequenz von minde stens 300 Hz gespeist werden, die Primärwicklungen jeweils in einem Schwingkreis angeordnet sind und die Ansteuerfrequenz etwas größer ist als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, und
wobei die Temperatur geregelt wird, in dem der Schwingkreis in Abhängigkeit von der ge messenen Temperatur über Leistungsschalter angesteuert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerfrequenz in Abhängigkeit von der gemessenen Reso nanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 für eine Galette mit mehreren axial hintereinander angeordneten Heizzonen, wobei die Heizleistung den jeweils in einem Schwingkreis angeordneten Primär wicklungen der Heizzonen separat zugeführt und die Temperatur zonen- oder gruppenweise geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerfrequenz für alle Heizzonen in Ab hängigkeit vom Mittelwert der gemessenen Resonanzfrequenzen der Schwingkreise bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperatur regelung die Leistungsschalter taktweise ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Länge der Einschaltzeit innerhalb eines Taktes in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwick lungen mit einer Ansteuerfrequenz von 3 bis 50 kHz gespeist werden.

5. Induktiv beheizte Galette
mit auf einem Tragrohr in aus magnetisch leitendem Material bestehenden Kernen angeord neten Primärwicklungen,
mit einem um die Primärwicklungen drehbar angeordneten Galettenmantel aus magnetischem Material ohne definierte Sekundärwicklungen,
mit Temperaturfühlern,
mit an die Temperaturfühler angeschlossene Temperaturregeleinrichtungen,
mit einer Stromversorgung zur Speisung der Primärwicklungen mit einem Wechselstrom einer Ansteuerfrequenz von mindestens 300 Hz
und mit einer an die Temperaturregeleinrichtungen und die Stromversorgung verbundenen An steuerung,
gekennzeichnet durch eine Frequenzregeleinrichtung für die Ansteuerfrequenz.

6. Induktiv beheizte Galette gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklun gen in Ferritkernen (2) angeordnet sind.

7. Induktiv beheizte Galette nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang des Trägerrohres (1) ein Vieleck bildet, die Ferritkerne (2) als U-förmige Profile ausgebildet sind und rings um das Trägerrohr (1) herum auf dessen Außenumfang angeordnet sind.

8. Induktiv beheizte Galette nach Anspruch 7 mit mehreren, axial hintereinander angeordneten Heizzonen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkerne (2) zonenweise am Außendurchmesser des Trägerrohres (1) angeordnet sind und die Breite der Ferritkerne (2) der Zonenbreite entspricht.

9. Induktiv beheizte Galette nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritker ne (2) einer äußeren Heizzone einseitig auf ihren einer Stirnplatte (10) des Galettenmantels (4) zugewandten Seiten in radialer Richtung weniger Material aufweisen.