專利名稱：用于金屬工件熱處理爐的電加熱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于金屬工件熱處理爐的電加熱方法，尤其是可用于等離子體碳化或氮化的真空爐的電加熱方法，其中爐的加熱元件被供給加熱電壓，此電壓產(chǎn)生于一個(gè)連接在三相電網(wǎng)上的三相電流變壓器的次級(jí)側(cè)上。
在三相電網(wǎng)中只有由三相電流產(chǎn)生的有功功率在用電負(fù)載-需要電能的驅(qū)動(dòng)裝置，用以完成人們賦予的任務(wù)-中是可用的。在三相電網(wǎng)中還出現(xiàn)由無功電流引起的無功功率(Q)，它不算在可用功率之內(nèi)。無功功率由電壓和電流之間的相移引起，此相移由電路中的電感和電容引起并且用于形成電磁場(chǎng)。無功功率(Q)對(duì)電氣設(shè)備有不利的作用，因?yàn)樗痣妷合陆岛碗娏鳠釗p耗，并形成對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器和導(dǎo)線的額外負(fù)荷。所以供電企業(yè)由于較大的電耗需要將功率因子(cos)保持在0.8和0.9之間。此外存在由無功功率引起的支出。因此工業(yè)企業(yè)感興趣的是補(bǔ)償在其電網(wǎng)中所形成的無功功率。
用于補(bǔ)償三相電網(wǎng)中的無功功率，已知大量的補(bǔ)償設(shè)備和補(bǔ)償裝置，例如同步補(bǔ)償器-也稱為移相器、無功功率電容器和無功功率變流器。這些設(shè)備和裝置減小有功功率(P)和視在功率(S)間的相位角()，并從而減小由于無功功率(Q)所要支付給供電企業(yè)的支出。這些補(bǔ)償無功功率的設(shè)備和裝置的缺點(diǎn)在于，隨之而來的并非不重要的在設(shè)備工藝和經(jīng)濟(jì)上的高費(fèi)用，考慮到盡可能小的制造和運(yùn)營(yíng)成本，這是應(yīng)該避免的。
在用于金屬工件熱處理的爐中，尤其是用于工件的等離子體碳化或氮化的真空爐，無功功率的補(bǔ)償被大量采用。為了避免在等離子體碳化或氮化時(shí)加熱元件范圍爐內(nèi)氣體的電離(Lonisierung)，現(xiàn)有的爐設(shè)置有這樣的加熱元件，它們具有低電阻并且被供給很小的加熱電壓。但是加熱元件的低阻設(shè)計(jì)要求加熱元件有相應(yīng)的大尺寸，這又以增大的加熱功率為條件。增大的加熱功率及小的加熱電壓除了值得注意的設(shè)備技術(shù)費(fèi)用和由此而引起的高生產(chǎn)費(fèi)用以外，還導(dǎo)致具有高電流強(qiáng)度的電流流過加熱元件，從而帶來高的無功電流和相應(yīng)的高無功功率(Q)。
在三相電流變壓器和特別與用于金屬加工件的熱處理爐相關(guān)的、用于控制加熱電壓并從而控制爐室的溫度的可調(diào)電抗變壓器(稱作VRT)中，功率因子(cos)只能在一個(gè)確定的工作點(diǎn)上或者在預(yù)定的多個(gè)工作點(diǎn)范圍內(nèi)，保持在0.8和0.9之間可接受的值。從變壓器的一個(gè)或多個(gè)工作點(diǎn)的偏移已經(jīng)大大減小了功率因子(coS)，并從而提高了無功電流部分及相應(yīng)的高無功功率(Q)。特別是在可調(diào)電抗變壓器(VRT)中，它在用于金屬加工件的熱處理爐中時(shí)借助于一個(gè)基于表征加熱過程的工作參數(shù)的設(shè)置值來調(diào)節(jié)從變壓器初級(jí)至次級(jí)的功率傳輸，由于例如爐溫、爐料溫度或分別要求的加熱功率等加熱過程的工作參數(shù)幾乎不斷地變化，最佳工作點(diǎn)或工作點(diǎn)范圍的偏移伴隨著無功功率(Q)的增加，這已被以前的試驗(yàn)證實(shí)。
這一任務(wù)在具有開始時(shí)所述特征的方法中根據(jù)本發(fā)明如此解決三相電流變壓器的初級(jí)繞組在第一加熱階段中連接成三角形電路，而在第二加熱階段中連接成星形電路，其中由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)根據(jù)用于表征加熱過程的工作參數(shù)來確定。
本發(fā)明基于以下知識(shí)在用于金屬加工件的熱處理爐的電加熱過程中需要不同的加熱功率。例如在爐溫升到規(guī)定溫度時(shí)需要比爐溫保持在進(jìn)行的熱處理所要求的處理溫度時(shí)更大的加熱功率。按照本發(fā)明，通過將三相電流變壓器的初級(jí)繞組根據(jù)用于表征加熱過程的工作參數(shù)由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路，來保證三相電流變壓器工作在給出高功率因子(cos)的一個(gè)工作點(diǎn)上或多個(gè)工作點(diǎn)的范圍內(nèi)。通過由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路，從初級(jí)側(cè)供給三相電流變壓器的電功率下降。其中盡管次級(jí)側(cè)輸出電功率相應(yīng)減小，但三相電流變壓器的工作點(diǎn)以及與工作點(diǎn)相關(guān)的功率因子(cos)保持不變，從而不用高費(fèi)用的補(bǔ)償就實(shí)現(xiàn)了對(duì)無功功率的限制。
這樣有優(yōu)點(diǎn)地實(shí)現(xiàn)了在第一加熱階段初級(jí)繞組的三角形電路產(chǎn)生很高的加熱功率，從而使得相應(yīng)的升溫時(shí)間短。在升溫之后的第二加熱階段中僅需要很小的加熱功率來保持溫度。按照本發(fā)明，通過根據(jù)用于表征加熱過程的工作參數(shù)由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路，以及由此得到的較小的次級(jí)加熱電壓來實(shí)現(xiàn)上述要求。
此外，首先在等離子體碳化或氮化時(shí)還要求避免在加熱元件范圍內(nèi)爐內(nèi)氣體的電離。取代另外的無功功率(Q)補(bǔ)償，通過本發(fā)明的轉(zhuǎn)換，完全不產(chǎn)生需要被另外補(bǔ)償?shù)臒o功功率(Q)。通過將三相電流變壓器的初級(jí)繞組由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路，在三相電流變壓器上產(chǎn)生的加熱電壓通過由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路而變小，因而在第二加熱階段提供較小的加熱功率?？梢源_定，三相交流變壓器次級(jí)側(cè)上由于從三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路而減小的加熱功率具有優(yōu)點(diǎn)地基本上與在第二加熱階段中保持熱處理所需的工作溫度所要求的較低的加熱功率相對(duì)應(yīng)。具有優(yōu)點(diǎn)地，由從三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)根據(jù)一個(gè)可預(yù)定的設(shè)置值，最好是一個(gè)可調(diào)電抗變壓器的設(shè)置值，來確定。
在本發(fā)明的一種特別具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例中，由三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)根據(jù)作為表征加熱過程的工作參數(shù)的爐溫和/或爐料溫度和/或功率因子(cos)來確定。
此外有優(yōu)點(diǎn)的是，借助于一個(gè)繼電器將三角形電路轉(zhuǎn)換為星形電路，因?yàn)榇撕蟊３州^小的功耗，并且無功功率明顯降低。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，使用具有相對(duì)較高的歐姆電阻的加熱元件。這在至今在等離子體碳化或氮化所用方法中是不可能的，因?yàn)樵谛切坞娐分胁粌H電流強(qiáng)度，而且加熱功率，以及加熱電壓在第二加熱階段中都被降低了，從而，如前面所討論，可以避免在加熱元件范圍中爐內(nèi)氣體電離的危險(xiǎn)。通過利用高歐姆電阻的加熱元件，設(shè)備技術(shù)有關(guān)的生產(chǎn)費(fèi)用降低了，因?yàn)榧訜嵩某叽缈梢詼p小，并且從而要求的加熱功率減小了。此外，用這種方法可對(duì)不同的爐型采用相同的加熱元件，使得至今在用于等離子體碳化或等離子體氮化的爐上所花費(fèi)的大量開支降低了。
按照本發(fā)明的一種具有優(yōu)點(diǎn)的改進(jìn)型，一個(gè)可調(diào)電抗變壓器用作三相電流變壓器。它與具有高歐姆電阻的加熱元件一起提供了以下優(yōu)點(diǎn)加熱功率以及爐室中的溫度不是用繼電器，而是可以通過改變電抗變壓器的設(shè)置值來調(diào)整。通常由于電抗變壓器的設(shè)置值在更小值方向上的的改變而得出的功率因子(cos)的減小在此由于加熱元件的高歐姆電阻而無關(guān)緊要。此外為了實(shí)現(xiàn)加熱電壓的精確調(diào)整，建議無損于借助于繼電器由三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)接的情況下，對(duì)第一和第二加熱階段通過改變電抗變壓器的設(shè)置值對(duì)加熱電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)匹配。
合乎目的地，在第一加熱階段施加到加熱元件上的加熱電壓小于60伏，最好約為50伏，而在第二加熱階段此加熱電壓小于35伏，最好約為30伏。在等離子體碳化或等離子體氮化時(shí)，這保證了在第一加熱階段中的升溫時(shí)間很短，并且避免了在第二加熱階段中加熱元件范圍內(nèi)的爐內(nèi)氣體受到不希望的電離的影響。最后建議三相電網(wǎng)具有約400伏的電壓，使得用于金屬加工件的熱處理爐可在公用電網(wǎng)上工作。


圖1是用于真空爐的電加熱裝置的電路圖；圖2是圖1所示電流圖的詳細(xì)示意圖；圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的加熱過程中功率因子(cos)的時(shí)間曲線圖；圖4是按照本發(fā)明根據(jù)功率因子(cos)將初級(jí)繞組由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路的加熱過程的功率因子(cos)的時(shí)間曲線圖；圖5是按照本發(fā)明根據(jù)爐溫將初級(jí)繞組由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路的加熱過程的功率因子(cos)的時(shí)間曲線圖；圖6是按照本發(fā)明根據(jù)爐爐料溫度將初級(jí)繞組由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路的加熱過程的功率因子(cos)的時(shí)間曲線圖。
按照在真空爐中進(jìn)行熱處理的過程狀態(tài)，電抗變壓器6的初級(jí)繞組不是連接成三角形電路就是連接成星形電路。通過繼電器4b,4c可以由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路。在三角形電路的情況下，在電抗變壓器6的初級(jí)側(cè)上有約400伏的線電壓。流過電抗變壓器6的初級(jí)繞組的電流這時(shí)有大約464安培的電流強(qiáng)度。在星形電路情況下，在電抗變壓器6的初級(jí)側(cè)上有大約230伏的較小的線電壓。同樣，初級(jí)電流的值也較小并約為268安培。
通過分別傳輸118kVA視在功率的電抗變壓器的各個(gè)變壓器9a,9b,9c，在電抗變壓器6的初級(jí)側(cè)上分別施加的線電壓向低變換，在星形電路的情況下，例如降到在電抗變壓器的次級(jí)側(cè)上的加熱電壓約為35伏。對(duì)于電流強(qiáng)度為3057安培的次級(jí)電流，得到約107kW的用于加熱元件8a，8b，8c的有用功率。
基于前面說明的電路圖的加熱裝置，使得例如用于金屬加工件的等離子體氮化的真空爐的爐室在第一加熱階段中可被加溫到規(guī)定的約1080℃的溫度，并且在第二加熱階段中在一個(gè)預(yù)定的持續(xù)期內(nèi)保持在例如600℃至850℃之間符合應(yīng)用的氮化溫度上。在第一加熱階段中電抗變壓器6的初級(jí)繞組連接成三角形電路，由于這樣從而為加熱元件8a，8b，8c提供高的加熱功率而得到很短的升溫時(shí)間。在第一階段結(jié)束后達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)借助于繼電器4c切換為星形電路，這樣，不僅次級(jí)電流，而且施加在次級(jí)側(cè)上的加熱電壓也降低。
因?yàn)闉榱嗽诘诙訜犭A段中保持溫度需要較小的加熱功率，通過減小的加熱電壓提供了足夠的加熱功率。不需要明顯改變電抗變壓器6的設(shè)置值來調(diào)整匹配加熱功率，因?yàn)樗^續(xù)在其工作點(diǎn)上或其預(yù)定的多個(gè)工作點(diǎn)范圍內(nèi)工作。然而電抗變壓器6可用于精確調(diào)節(jié)加熱功率。同時(shí)不發(fā)生功率因子(cos)的明顯減小。用這種方法獲得很小的無功電流成份，這使得可以不用昂貴的無功功率補(bǔ)償，并且降低能源成本，加熱元件8a，8b，8c的高歐姆電阻支持這一點(diǎn)。
圖3示出按照現(xiàn)有技術(shù)在加熱過程中功率因子(cos)隨時(shí)間變化的曲線。爐和爐料從室溫(約20℃)被加熱到900℃的溫度。由爐和爐料的溫度變化曲線可見，爐料的溫度變化在時(shí)間上滯后于爐的溫度變化，在升溫時(shí)電抗變壓器6仍處于其工作點(diǎn)上，該工作點(diǎn)具有cos＝0.85的功率因子。由圖3可見，在升溫時(shí)電抗變壓器的工作點(diǎn)變化，其結(jié)果是功率因子cos降到cos＝0.5的值。隨著功率因子cos的下降，無功電流成份以及無功功率Q以不希望的方式增大。
圖4示出在如圖3所示加熱爐和爐料從室溫(約20℃)上升到處理溫度900℃的加熱過程中功率因子cos隨時(shí)間變化的曲線。在圖4所示實(shí)施例中，電抗變壓器6的初級(jí)繞組由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)根據(jù)功率因子cos確定。這里轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)tum根據(jù)一個(gè)預(yù)定的、不允許超過的功率因子cos為0.80來確定。在爐和爐料的升溫過程中電抗變壓器6的工作點(diǎn)變化，從而加熱過程開始時(shí)具有值為0.85的功率因子cos逐漸下降。當(dāng)功率因子coS達(dá)到和/或低于0.80時(shí)，電抗變壓器6的初級(jí)繞組由三角形電路轉(zhuǎn)換為星形電路。通過由三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)換，電抗變壓器從三相電網(wǎng)獲得較小的電功率。對(duì)應(yīng)于減小的無功功率Q，相應(yīng)地次級(jí)側(cè)的電加熱電壓降低，并從而加熱功率減小，并且功率因子cos增加到值為0.95。其中電抗變壓器以很小的偏移工作在其工作點(diǎn)上。減小的次級(jí)側(cè)加熱功率對(duì)于為在第二加熱階段中進(jìn)行的金屬加工件熱處理而保持或略微升高爐溫或爐料溫度所需的加熱功率是足夠的。在從三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路之后，功率因子cos從在轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)所給出的功率因子cos＝0.95不斷下降，直到功率因子cos具有一個(gè)穩(wěn)定值cos＝0.83。
根據(jù)是否到達(dá)一個(gè)預(yù)定的功率因子cos來確定電抗變壓器6的初級(jí)繞組由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)tum相應(yīng)描述了一種降低電流開銷的措施。
圖5示出爐或爐料從室溫(約20℃)上升到約900℃的處理溫度的加熱過程中功率因子cos隨時(shí)間變化的曲線。其中電抗變壓器6的初級(jí)繞組由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)根據(jù)可預(yù)定的爐溫隨時(shí)間的變化來確定。這里爐溫隨時(shí)間的變化被求得，并且在達(dá)到預(yù)定的時(shí)間上的溫度變化時(shí)由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路。在轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)，在升溫時(shí)從0.85下降到0.80以下值的功率因子cos上升到值為0.95，并且在第二加熱階段中穩(wěn)定到0.83的值。
圖6示出爐或爐料從室溫(約20℃)上升到900℃的相應(yīng)加熱過程中功率因子cos隨時(shí)間變化的曲線。在圖6所示實(shí)施例中電抗變壓器6的初級(jí)繞組由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)tum根據(jù)爐料溫度隨時(shí)間的變化來確定。在爐料溫度隨時(shí)間的變化達(dá)到δt＝10℃時(shí)，電抗變壓器6的初級(jí)繞組由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路。在第一加熱階段從功率因子cos＝0.85下降到低于0.80以下的功率因子cos在轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)tum跳升到約0.85的功率因子cos值，并且在第二加熱階段中穩(wěn)定為功率因子cos＝0.83。
通過本發(fā)明根據(jù)表征加熱過程的工作參數(shù)圖4中根據(jù)功率因子cos，圖5中根據(jù)爐溫，圖6中根據(jù)爐料溫度隨時(shí)間的變化，自動(dòng)將初級(jí)繞組的連接由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路，可實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單而又廉價(jià)的方式和方法，不用昂貴的無功功率補(bǔ)償裝置而取得相對(duì)較小的無功功率成份。在這里電抗變壓器的初級(jí)繞組由三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)可以在寬范圍內(nèi)匹配于加熱過程的各種需要。
附圖中所示實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。
附圖標(biāo)記列表1a電流線 7b扁平銅導(dǎo)線1b電流線 7c扁平銅導(dǎo)線1c電流線 8a加熱元件2a安全負(fù)載斷路器 8b加熱元件2b安全負(fù)載斷路器 8c加熱元件3a扁平銅導(dǎo)線 9a單個(gè)變壓器3b扁平銅導(dǎo)線 9b單個(gè)變壓器4a電網(wǎng)繼電器 9c單個(gè)變壓器4b三角形繼電器 S視在功率4c星形繼電器 P有用功率5a扁平銅導(dǎo)線 Q無功功率5b扁平銅導(dǎo)線 RT室溫6電抗變壓器 tum轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)7a扁平銅導(dǎo)線 T溫度
權(quán)利要求
1.用于金屬工件熱處理爐的電加熱方法，尤其是用于等離子體碳化或氮化的真空爐的電加熱方法，其中爐的加熱元件(8a,8b,8c)被施加加熱電壓，它產(chǎn)生在連接于三相電網(wǎng)上的三相電流變壓器(6)的次級(jí)側(cè)，其特征在于，三相電流變壓器(6)的初級(jí)繞組在第一加熱階段被接成三角形電路，而在第二加熱階段接成星形電路，并且由三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)(tum)根據(jù)表征加熱過程的工作參數(shù)確定。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)(tum)根據(jù)一個(gè)可預(yù)設(shè)的設(shè)置值被確定。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，由三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)(tum)根據(jù)可預(yù)設(shè)的功率因子(cos)確定。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在功率因子cos達(dá)到或低于0.80時(shí)由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)(tum)根據(jù)爐溫確定。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，根據(jù)爐溫隨時(shí)間的溫度變化由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)(tum)根據(jù)爐料溫度確定。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，根據(jù)爐料溫隨時(shí)間的溫度變化從三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，爐在第一加熱階段被加溫到一個(gè)規(guī)定的溫度，而在第二加熱階段保持在進(jìn)行熱處理所需的處理溫度上。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，借助于繼電器(4b，4c)由三角形電路轉(zhuǎn)接為星形電路。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，應(yīng)用具有相當(dāng)高的歐姆電阻的加熱元件(8a，8b，8c)。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，可調(diào)電抗變壓器(6)被用作三相電流變壓器。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，用于第一和第二加熱階段的加熱電壓通過改變電抗變壓器(6)的設(shè)置值進(jìn)行匹配調(diào)節(jié)。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在第一加熱階段中施加在加熱元件(8a，8b，8c)上的加熱電壓小于60伏，最好約為50伏，而在第二加熱階段中此加熱電壓小于35伏，最好約為30伏。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，三相電網(wǎng)具有約400伏的電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于金屬工件熱處理爐，尤其是可用于等離子碳化或氮化的真空爐的電加熱方法，其中爐的加熱元件(8a，8b，8c)被施加加熱電壓，它產(chǎn)生在連接于三相電網(wǎng)上的三相電流變壓器(6)的次級(jí)側(cè)，為了能以簡(jiǎn)單而廉價(jià)的方法實(shí)現(xiàn)相當(dāng)小的無功功率成分，建議如下三相電流變壓器(6)的初級(jí)繞組在第一加熱階段被接成三角形電路，而在第二加熱階段接成星形電路，并且從三角形電路至星形電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)根據(jù)表征加熱過程的工作參數(shù)來確定。
文檔編號(hào)C23C8/36GK1424426SQ0215274
公開日2003年6月18日 申請(qǐng)日期2002年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月28日
發(fā)明者卡爾－赫茨·萊姆肯 申請(qǐng)人:艾普森國(guó)際有限公司