專利名稱：用于金屬工件熱處理爐的電加熱方法
技術領域：
本發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，此電壓產生于一個連接在三相電網上的三相電流變壓器的次級側上。
在三相電網中只有由三相電流產生的有功功率在用電負載-需要電能的驅動裝置，用以完成人們賦予的任務-中是可用的。在三相電網中還出現由無功電流引起的無功功率(Q)，它不算在可用功率之內。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。無功功率(Q)對電氣設備有不利的作用，因為它引起電壓下降和電流熱損耗，并形成對發電機、變壓器和導線的額外負荷。所以供電企業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。因此工業企業感興趣的是補償在其電網中所形成的無功功率。
用于補償三相電網中的無功功率，已知大量的補償設備和補償裝置，例如同步補償器-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的支出。這些補償無功功率的設備和裝置的缺點在于，隨之而來的并非不重要的在設備工藝和經濟上的高費用，考慮到盡可能小的制造和運營成本，這是應該避免的。
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，無功功率的補償被大量采用。為了避免在等離子體碳化或氮化時加熱元件范圍爐內氣體的電離(Lonisierung)，現有的爐設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計要求加熱元件有相應的大尺寸，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備技術費用和由此而引起的高生產費用以外，還導致具有高電流強度的電流流過加熱元件，從而帶來高的無功電流和相應的高無功功率(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的、用于控制加熱電壓并從而控制爐室的溫度的可調電抗變壓器(稱作VRT)中，功率因子(cos)只能在一個確定的工作點上或者在預定的多個工作點范圍內，保持在0.8和0.9之間可接受的值。從變壓器的一個或多個工作點的偏移已經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的高無功功率(Q)。特別是在可調電抗變壓器(VRT)中，它在用于金屬加工件的熱處理爐中時借助于一個基于表征加熱過程的工作參數的設置值來調節從變壓器初級至次級的功率傳輸，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幾乎不斷地變化，最佳工作點或工作點范圍的偏移伴隨著無功功率(Q)的增加，這已被以前的試驗證實。
這一任務在具有開始時所述特征的方法中根據本發明如此解決三相電流變壓器的初級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接為星形電路的轉換時間點根據用于表征加熱過程的工作參數來確定。
本發明基于以下知識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。例如在爐溫升到規定溫度時需要比爐溫保持在進行的熱處理所要求的處理溫度時更大的加熱功率。按照本發明，通過將三相電流變壓器的初級繞組根據用于表征加熱過程的工作參數由三角形電路轉接為星形電路，來保證三相電流變壓器工作在給出高功率因子(cos)的一個工作點上或多個工作點的范圍內。通過由三角形電路轉接為星形電路，從初級側供給三相電流變壓器的電功率下降。其中盡管次級側輸出電功率相應減小，但三相電流變壓器的工作點以及與工作點相關的功率因子(cos)保持不變，從而不用高費用的補償就實現了對無功功率的限制。
這樣有優點地實現了在第一加熱階段初級繞組的三角形電路產生很高的加熱功率，從而使得相應的升溫時間短。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。按照本發明，通過根據用于表征加熱過程的工作參數由三角形電路轉接為星形電路，以及由此得到的較小的次級加熱電壓來實現上述要求。
此外，首先在等離子體碳化或氮化時還要求避免在加熱元件范圍內爐內氣體的電離。取代另外的無功功率(Q)補償，通過本發明的轉換，完全不產生需要被另外補償的無功功率(Q)。通過將三相電流變壓器的初級繞組由三角形電路轉接為星形電路，在三相電流變壓器上產生的加熱電壓通過由三角形電路轉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。可以確定，三相交流變壓器次級側上由于從三角形電路轉接為星形電路而減小的加熱功率具有優點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應。具有優點地，由從三角形電路至星形電路的轉換時間點根據一個可預定的設置值，最好是一個可調電抗變壓器的設置值，來確定。
在本發明的一種特別具有優點的實施例中，由三角形電路至星形電路的轉換時間點根據作為表征加熱過程的工作參數的爐溫和/或爐料溫度和/或功率因子(cos)來確定。
此外有優點的是，借助于一個繼電器將三角形電路轉換為星形電路，因為此后保持較小的功耗，并且無功功率明顯降低。
在本發明的一種優選實施例中，使用具有相對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，因為在星形電路中不僅電流強度，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氣體電離的危險。通過利用高歐姆電阻的加熱元件，設備技術有關的生產費用降低了，因為加熱元件的尺寸可以減小，并且從而要求的加熱功率減小了。此外，用這種方法可對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的大量開支降低了。
按照本發明的一種具有優點的改進型，一個可調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點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置值來調整。通常由于電抗變壓器的設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緊要。此外為了實現加熱電壓的精確調整，建議無損于借助于繼電器由三角形電路至星形電路的轉接的情況下，對第一和第二加熱階段通過改變電抗變壓器的設置值對加熱電壓進行調節匹配。
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，這保證了在第一加熱階段中的升溫時間很短，并且避免了在第二加熱階段中加熱元件范圍內的爐內氣體受到不希望的電離的影響。最后建議三相電網具有約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所示電流圖的詳細示意圖；圖3是根據現有技術的加熱過程中功率因子(cos)的時間曲線圖；圖4是按照本發明根據功率因子(cos)將初級繞組由三角形電路轉接為星形電路的加熱過程的功率因子(cos)的時間曲線圖；圖5是按照本發明根據爐溫將初級繞組由三角形電路轉接為星形電路的加熱過程的功率因子(cos)的時間曲線圖；圖6是按照本發明根據爐爐料溫度將初級繞組由三角形電路轉接為星形電路的加熱過程的功率因子(cos)的時間曲線圖。
按照在真空爐中進行熱處理的過程狀態，電抗變壓器6的初級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的初級側上有約400伏的線電壓。流過電抗變壓器6的初級繞組的電流這時有大約464安培的電流強度。在星形電路情況下，在電抗變壓器6的初級側上有大約230伏的較小的線電壓。同樣，初級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變壓器9a,9b,9c，在電抗變壓器6的初級側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側上的加熱電壓約為35伏。對于電流強度為3057安培的次級電流，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定的約1080℃的溫度，并且在第二加熱階段中在一個預定的持續期內保持在例如600℃至850℃之間符合應用的氮化溫度上。在第一加熱階段中電抗變壓器6的初級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間。在第一階段結束后達到預定溫度時借助于繼電器4c切換為星形電路，這樣，不僅次級電流，而且施加在次級側上的加熱電壓也降低。
因為為了在第二加熱階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的設置值來調整匹配加熱功率，因為它繼續在其工作點上或其預定的多個工作點范圍內工作。然而電抗變壓器6可用于精確調節加熱功率。同時不發生功率因子(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。
圖3示出按照現有技術在加熱過程中功率因子(cos)隨時間變化的曲線。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間上滯后于爐的溫度變化，在升溫時電抗變壓器6仍處于其工作點上，該工作點具有cos＝0.85的功率因子。由圖3可見，在升溫時電抗變壓器的工作點變化，其結果是功率因子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隨時間變化的曲線。在圖4所示實施例中，電抗變壓器6的初級繞組由三角形電路轉接為星形電路的轉換時間點根據功率因子cos確定。這里轉換時間點tum根據一個預定的、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的工作點變化，從而加熱過程開始時具有值為0.85的功率因子cos逐漸下降。當功率因子coS達到和/或低于0.80時，電抗變壓器6的初級繞組由三角形電路轉換為星形電路。通過由三角形電路至星形電路的轉換，電抗變壓器從三相電網獲得較小的電功率。對應于減小的無功功率Q，相應地次級側的電加熱電壓降低，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上。減小的次級側加熱功率對于為在第二加熱階段中進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。在從三角形電路轉接為星形電路之后，功率因子cos從在轉換時間點所給出的功率因子cos＝0.95不斷下降，直到功率因子cos具有一個穩定值cos＝0.83。
根據是否到達一個預定的功率因子cos來確定電抗變壓器6的初級繞組由三角形電路轉接為星形電路的轉換時間點tum相應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隨時間變化的曲線。其中電抗變壓器6的初級繞組由三角形電路轉接為星形電路的轉換時間點根據可預定的爐溫隨時間的變化來確定。這里爐溫隨時間的變化被求得，并且在達到預定的時間上的溫度變化時由三角形電路轉接為星形電路。在轉換時間點，在升溫時從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℃的相應加熱過程中功率因子cos隨時間變化的曲線。在圖6所示實施例中電抗變壓器6的初級繞組由三角形電路轉接為星形電路的轉換時間點tum根據爐料溫度隨時間的變化來確定。在爐料溫度隨時間的變化達到δt＝10℃時，電抗變壓器6的初級繞組由三角形電路轉接為星形電路。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在轉換時間點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定為功率因子cos＝0.83。
通過本發明根據表征加熱過程的工作參數圖4中根據功率因子cos，圖5中根據爐溫，圖6中根據爐料溫度隨時間的變化，自動將初級繞組的連接由三角形電路轉接為星形電路，可實現一種簡單而又廉價的方式和方法，不用昂貴的無功功率補償裝置而取得相對較小的無功功率成份。在這里電抗變壓器的初級繞組由三角形電路至星形電路的轉換時間點可以在寬范圍內匹配于加熱過程的各種需要。
附圖中所示實施例僅用于說明本發明，本發明并不局限于這些實施例。
附圖標記列表1a電流線 7b扁平銅導線1b電流線 7c扁平銅導線1c電流線 8a加熱元件2a安全負載斷路器 8b加熱元件2b安全負載斷路器 8c加熱元件3a扁平銅導線 9a單個變壓器3b扁平銅導線 9b單個變壓器4a電網繼電器 9c單個變壓器4b三角形繼電器 S視在功率4c星形繼電器 P有用功率5a扁平銅導線 Q無功功率5b扁平銅導線 RT室溫6電抗變壓器 tum轉換時間點7a扁平銅導線 T溫度
權利要求
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，它產生在連接于三相電網上的三相電流變壓器(6)的次級側，其特征在于，三相電流變壓器(6)的初級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換時間點(tum)根據表征加熱過程的工作參數確定。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，由三角形電路至星形電路的轉換時間點(tum)根據一個可預設的設置值被確定。
3.如權利要求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換時間點(tum)根據可預設的功率因子(cos)確定。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，在功率因子cos達到或低于0.80時由三角形電路轉接為星形電路。
5.如權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，從三角形電路至星形電路的轉換時間點(tum)根據爐溫確定。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，根據爐溫隨時間的溫度變化由三角形電路轉接為星形電路。
7.如權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，從三角形電路至星形電路的轉換時間點(tum)根據爐料溫度確定。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，根據爐料溫隨時間的溫度變化從三角形電路轉接為星形電路。
9.如權利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，爐在第一加熱階段被加溫到一個規定的溫度，而在第二加熱階段保持在進行熱處理所需的處理溫度上。
10.如權利要求1至9中任一項所述的方法，其特征在于，借助于繼電器(4b，4c)由三角形電路轉接為星形電路。
11.如權利要求1至10中任一項所述的方法，其特征在于，應用具有相當高的歐姆電阻的加熱元件(8a，8b，8c)。
12.如權利要求1至11中任一項所述的方法，其特征在于，可調電抗變壓器(6)被用作三相電流變壓器。
13.如權利要求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)的設置值進行匹配調節。
14.如權利要求1至13中任一項所述的方法，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.如權利要求1至14中任一項所述的方法，其特征在于，三相電網具有約400伏的電壓。
全文摘要
本發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，它產生在連接于三相電網上的三相電流變壓器(6)的次級側，為了能以簡單而廉價的方法實現相當小的無功功率成分，建議如下三相電流變壓器(6)的初級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換時間點根據表征加熱過程的工作參數來確定。
文檔編號C23C8/36GK1424426SQ0215274
公開日2003年6月18日 申請日期2002年11月27日 優先權日2001年11月28日
發明者卡爾－赫茨·萊姆肯 申請人:艾普森國際有限公司