DE3441001A1

DE3441001A1 - Verfahren und anordnung zum beseitigen der blindleistung bei induktiven materialbehandlungsprozessen

Info

Publication number: DE3441001A1
Application number: DE19843441001
Authority: DE
Inventors: Johann 6463 Freigericht Stürmer; Gernot Dipl.-Ing. 6450 Hanau Thorn
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1984-11-09
Filing date: 1984-11-09
Publication date: 1986-05-15

Description

" Verfahren und Anordnung zum Beseitigen der
Blindleistung bei induktiven Materialbehandl ungsprozessen " Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beseitigen der Blindleistung bei induktiven Materialbehandlungsprozessen in Anlagen mit einer Stromversorgungsquelle, einer Induktionsspule und einem Kondensator, die zusammen einen Schwingkreis bilden, unter Erfassung der Phasenlage von Strom und Spannung Bei den Materialbehandlungsprozessen kann es sich um das Schmelzen, Erwärmen sowie um die Oberflächenbehandlung von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen handeln.
Sofern der betreffende Werkstoff nicht an die Hochfrequenz-Spule ankoppelt, kann ein Behälter aus einem ankopplungsfähigen Werkstoff wie beispielsweise aus Graphit verwendet werden, der die erforderliche Ankopplungsfähigkeit besitzt und die Wärme seinerseits an das zu behandelnde Material überträgt. üblicherweise befindet sich das zu behandelnde Material und/oder der Behälter innerhalb der Induktionsspule, wobei der Kondensator zur Kompensation der bei induktiver Belastung auftretenden Blindleistung dient. Zusammen mit der Induktionsspule bildet dieser Kondensator notwendigerweise einen Schwingkreis, dessen Eigenfrequenz nicht nur von den Auslegungsdaten der Induktionsspule und des Kondensators abhängig ist, sondern auch von der Art, Menge und der Temperatur bzw. dem Zustand des zu behandelnden Materials. -Hinzu kommt bei bestimmten Werkstoffen, die einen Teil des Schwingkreises bilden, die Tendenz, bei Temperaturänderungen gewissermaßen sprunghaft den magnetischen Widerstand zu ändern, so daß es verhältnismäßig plötzlich zu einer änderung der Eigenfrequenz des Schwingkreises kommt, so daß die Kompensation der Blindleistung nicht mehr den optimalen Verhältnissen entspricht. Shnliche Verhältnisse gelten auch, wenn Art und Menge des zu behandelnden Materials bei den einzelnen Chargen unterschiedlich sind. In jedem Fall wird der Schwingkreis verstimmt und die Ankopplung durch die niedrigere Windungsspannung wesentlich verschlechtert, was zu längeren Behandlungszeiten und einem verschlechterten Wirkungsgrad führt.
Ein Beispiel für die Verstimmung des Schwingkreises liefern ferromagnetische Werkstoffe, deren magnetischer Widerstand sich beim Oberschreiten der Curie-Temperatur sprunghaft und wesentlich ändert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, das eine automatische Anpassung des Schwingkreises an geänderte Behandlungsbedingungen bei gleichzeitig kleinstmöglicher Blindleistung ermöglicht.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß Strom und Spannung einer Schaltung zur Erkennung der Phasenlage zugeführt werden und daß eine etwa vorhandene Phasenverschiebung durch änderung der Frequenz der Stromversorgungsquelle auf einen kleinstmöglichen Wert zurückgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine Abkehr von der bisher üblichen Praxis dar, eine Stromversorgungsquelle mit einem lastgeführten Wechselrichter vorzusehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Ausgangsfrequenz der Stromversorgungsquelle, die den Auslegungsdaten von Induktionsspule und Kondensator angepaßt ist und einem vorgegebenen Mittelwert entspricht, bewußt ver- ändert, ohne daß sich hierdurch für den Behandlungsprozeg iraendwelche Nachteile ergeben Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich darum, die Ausgangsfrequenz der Stromversorgungsquelle wieder auf Resonanz mit dem Schwingkreis zu bringen. Dadurch steigt die Windungsspannung wieder auf den maximal möglichen Wert an, der sogenannte cosy wird dadurch wesentlich verbessert, d.h. die Blindleistung verringert, und die Behandlungszeit wird wesentlich verkürzt.
Als Tendenz für die änderung der Frequenz ist anzugeben, daß bei einem nacheilenden Strom die Frequenz verringert wird und daß bei nacheilender Spannung die Frequenz erhöht wird. Dabei sind die erforderlichen Frequenzabweichungen, die für die Beherrschung aller Vorkommnisse während der unterschiedlichen Behandlungsprozesse erforderlich sind, keineswegs unzumutbar groß, sie bewegen sich vielmehr in einem Bereich von 20 % bei der seits einer mittleren Auslegungsfrequenz.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer durch einen Taktgeber gesteuerten Stromversorgungsquelle, einer Induktionsspule und einem Kondensator, die zusammen einen Schwingkreis bilden, sowie mit Abgriffen zur Erfassung der Phasenlage von Strom und Spannung.
Eine solche Anordnung ist zur Lösung der gleichen Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Abgriffe für Strom und Spannung über zugeordnete Komparatoren einer Erkennungsschaltung für die Bestimmung von Vorzeichen und Betrag der Phasenverschiebung - aufgrund der digitalen Signalverarbeitung unabhängig von der Arbeitsfrequenz - aufgeschaltet sind, und daß der Ausgang der Erkennungsschaltung einem Integrationsglied für die Erzeugung eines vorzeichengerechten, der Phasenverschiebung proportionalen Ausgangssignals aufgeschaltet ist, welches als Eingangssignal für den als Spannungsfrequenzwandler auseführtanTaktgeber dient, derart, daß durch die Ausgangsfrequenz des Taktgebers die Frequenz der Stromversorgungsquelle in der Weise regelbar ist, daß die Phasenverschiebung auf einen kleinstmöglichen Wert zurückführbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung in Verbindung mit einer Induktions-Schmeizeinrichtung und Figur 2 einen Teil der Blöcke aus Figur 1 mit weiteren Details.
In Figur 1 ist eine Stromversorgungsquelle 1 dargestellt, die als Mittelfrequenz-Wechselrichter ausgeführt ist und über eine Dreifachleitung 2 mit Drehstrom versorgt wird. Die Ausgangsfrequenz der Stromversorgungsquelle 1 wird durch einen Taktgeber 3 gesteuert, auf dessen Wirkungsweise weiter unten noch näher eingegangen wird.
Bei der Stromversorgungsquelle 1 handelt es sich mithin um einen sogenannten selöstgeführten Wechselrichter.
Der Ausgang dieses Wechselrichters führt über Leitungen 4, 5 zu einer Induktionsspule 6, die konzentrisch einen Behälter 7 für die Aufnahme des zu behandelnden Materials umgibt. Die aus Induktionsspule 6 und Behälter 7 bestehende Anordnung kann in einer ni cht gezeigten Kammer untergebracht sein, in der eine Schutzgasatmosphäre aufrechterhalten wird, die beispielsweise aus einem Vakuum und/oder einem Inertgas besteht.
Parallel zur Induktionsspule 6 befindet sich zwischen den Leitungen 4, 5 noch ein Kondensator 8, der zusammen mit der Induktionsspule 6 einen Schwingkreis bildet, der beispielsweise auf eine Frequenz von 20 kHz ausgelegt ist. Sobald die Induktionsspule 6 mit einer entsprechenden Frequenz beaufschlagt wird, ist es möglich, das in dem Behälter 7 befindliche Material zu schmelzen oder nur zu erwärmen, um beispielsweise die Oberfläche in Anwesenheit eines Reaktionsgases zu veredeln.
Den Leitungen 4, 5 sind Abgriffe 9, 10 für die Spannung U bzw. den Strom I zugeordnet. Mittels dieser Abgriffe 9, 10 liesse sich beispielsweise die Phasenlage zwischen U und I mittels eines Meß- und Anzeigegeräts überwachen.
Die Abgriffe 9, 10 sind über zugehörige Komparatoren 11, 12 einer Erkennungsschaltung 13 für die Bestimmung von Vorzeichen und Betrag der Phasenverschiebung zwischen U und I aufgeschaltet. In den Komparatoren 11, 12 werden die abgegriffenen, sinusförmigen Signale in Rechtecksignale umgesetzt, und in der Erkennungsschaltung 13 wird die Phasenverschiebung zwischen den Rechtecksignalen nach Vorzeichen und Betrag bestimmt. Von der Erkennungsschaltung 13 werden über Leitungen 14, 15 zwei Impulsfolgen an einen Operations-Differenzverstärker 16 weitergeleitet, an dessen Ausgang Rechteckimpulse anstehen, deren Dauer dem Betrag der Phasenverschiebung proportional ist und deren Vorzeichen der Richtung der Phasenverschiebung entsprechen. Der Ausgang des Operations-Differentialverstärkers 16 ist einem Integrationsglied 17 aufgeschaltet, in dem ein vorzeichengerechtes, der Phasenverschiebung proportionales Ausgangssignal erzeugt wird. Dieses Ausgangssignal wird über eine Leitung 18 dem bereits erwähnten Taktgeber 3 zugeführt, der als Spannungs-Frequenzwandler ausgeführt ist. Mit anderen Worten, die Ausgangsfrequenz des Taktgebers 3 ist der Eingangsspannung auf der Leitung 18 proportional. Der taktgeber 3 ist mit einem weiteren Eingang 19.ausgestattet, durch den beispielsweise eine Handverstellung der Ausgangsfrequenz des Taktgebers möglich ist.
Steigt also beispielsweise die Ausgangsspannung des Integrationsgliedes 17 bei voreilendem Strom, so wird die Ausgangsfrequenz der Stromversorgungsquelle 1 hochgeregelt, und es fließt mehr Strom durch den Kondensator, wodurch die Phasenverschiebung auf einen kleinstmöglichen, durch die Regelabweichung bedingten Wert ausgeregelt wird. Sinkt hingegen die Ausgangsspannung des Integrationsgliedes 17 bei nach eilendem Strom, so wird die Ausgangsfrequenz der Stromquelle 1 heruntergeregelt, und es fließt mehr Strom durch die Induktionsspule 6. Auch auf diese Weise werden Phasenverschiebung und Blindleistung auf einen kleinstmöglichen Wert heruntergeregelt.
Figur 2 zeigt weitere Einzelheiten des Blockschaltbildes nach Figur 1. Den Komparatoren 11, 12 sind Dioden 20, 21 nachgeschaltet, so daß jeweils nur die positiven Rechteckimpulse an die Erkennungsschaltung 13 weitergeleitet werden. Diese Erkennungsschaltung 13 ist in Figur 2 durch eine strichpunktierte Umrandung hervorgehobe.
Zur Erkennungsschaltung 13 gehören insaesamt sieben NAND-Glieder 22, 23, 24, 25, 26, 27 und 28, die in der angegebenen Weise geschaltet sind. Zur Erkennungsschaltung 13 gehört weiterhin ein Speicher 29, der in der angegebenen Weise mit den Ausgängen der Dioden 20, 21 verbunden ist. Die NAND-Glieder 22 bis 28 bilden in ihrer Gesamtheit einen Logikbaustein 30, der aufgrund der gezeigten Schaltungsverbindungen mit dem Speicher 29 folgende Feststellungen trifft: 1. Strom- oder Spannungsvoreilung (vorzeichengerecht), 2. Betrag der Voreilung.
Die beiden Ausgänge des Logik-Bausteins 30 sind über die Leitungen 14, 15 dem bereits beschriebenen Operations-Differenzverstärker 16 aufgeschaltet, und zwar sind die Ausgänge des Logik-Bausteins in der Weise gegeneinander geschaltet, daß am Ausgang des Operations-Differenzverstärkers 16 positive oder negative Impulse anstehen, deren Dauer der Phasenverschiebung proportional ist.
Der Operations-Differenzverstärker 16 ist wiederum über eine nicht näher bezeichnete Leitung mit dem Integrationsglied 17 verbunden, in dem eine vorzeichengerechte Gleichrichtung erfolgt, die zu einem der Phasenverschiebung proportionalen Ausgangssignal führt. Es ist dabei von Bedeutung, daß die gesamte Anordnung mit der Istfrequenz der Stromversorgungsquelle 1 arbeitet. Der Ausgang des Integrationsgliedes 17 ist in der bereits beschriebenen Weise über die Leitung 18 mit dem Taktgeber 3 verbunden. Dieser Taktgeber~3 ist - für sich genommen -Stand der Technik, so daß sich ein weiteres Eingehen auf dessen Einzelheiten erübrigt.

Claims

PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zum Beseitigen der Blindleistung bei induktiven Materialbehandlungsprozessen in Anlagen mit einer Stromversorgungsquelle, einer Induktionsspule und einem Kondensator, die zusammen einen Schwingkreis bilden, unter Erfassung der Phasenlage von Strom und Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß Strom und Spannung einer Schaltung zur Erkennung der Phasenlage zugeführt werden und daß eine etwa vorhandene Phasenverschiebung durch Änderung der Frequenz der Stromversorgungsquelle auf einen kleinstmöglichen Wert zurückgeführt wird.
2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer durch einen Taktgeber gesteuerten Stromversorgungsquelle, einer Induktionsspule und einem Kondensator, die zusammen einen Schwingkreis bilden, sowie mit Abgriffen zur Erfassung der Phasenlage von Strom und Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgriffe (10, 9) für Strom und Spannung über zugeordnete Komparatoren (12, 11) einer Erkennungsschaltung (13) für die Bestimmung von Vorzeichen und Betrag der Phasenverschiebung aufgeschaltet sind, und daß der Ausgang der Erkennungsschaltung (13) einem Integrationsglied (17) für die Erzeugung eines vorzeichengerechten, der Phasenverschiebung proportionalen Ausgangssignals aufgeschaltet ist, welches als Eingangssignal für den als Spannungsfrequenzwandler ausgeführten Taktgeber (3) dient, derart, daß durch die Ausgangsfrequenz des Taktgebers die Frequenz der Stromversorgungsquelle in der Weise regelbar ist, daß die Phasenverschiebung auf einen kleinstmöglichen Wert zurückführbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennungsschaltung (13) mindestens eine Speichereinheit (29) aufweist.
4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für das Einschmelzen von metallischen Werkstoffen.