CN102668692B - 在包括磁耦合感应器的设备中实施感应加热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在用于加热金属零件的设备中实施感应加热的方法，所述设备包括磁耦合感应器(Ind1，Ind2，...，Indp)，每个感应器都由与电容器(C1，C2，...，Cp)组合在一起以形成振荡电路(OC1，OC2，...，OCp)的专用逆变器(O1，O2，...，Op)供电。所述振荡电路具有至少近似相同的谐振频率，每个逆变器都由控制单元(M1，M2，...，Mp)控制以便改变流过相应感应器的电流的幅值和相位，所述设备还包括用于确定所述电流的装置以及确定所述金属零件的实际温度曲线(θ_{1 mes}，θ_{2 mes}，...，θ_{n mes})的装置。所述方法包括如下步骤：a)比较所述实际温度曲线与参考温度曲线(θ_{1 ref}，θ_{2 ref}，...，θ_{n ref})并计算所述加热设备必须注入所述金属零件的参考功率强度曲线(Dp^ref ₁，Dp^ref ₂，...，Dp^ref _n)；b)计算所述逆变器必须产生的目标电流，以使所述感应器的电流达到适于将所述参考功率强度曲线注入所述金属零件的目标值(I_{1 ref}，I_{2 ref}，...，I_{P ref})；c)确定流过感应器的电流，以便比较所述电流和所述目标值以及确定要校正的电流偏差(δI_{1 corr}，δI_{2 corr}，...，δI_{p corr})，并根据所述电流偏差将校正指令发送至所述控制单元(M1，M2，...，Mp)。

Description

在包括磁耦合感应器的设备中实施感应加热的方法

技术领域

本发明涉及一种在用于加热诸如薄板或条状之类金属零件的设备中实施感应加热的方法，所述设备包括磁耦合感应器。通过磁耦合意味着所述电感器彼此之间产生相互感应。

背景技术

当要加热的零件始终是同一类型和相同尺寸时，较为传统的感应加热技术使用令人满意的配置。然而，工业日益需要灵活性和生产效率。在生产线连续运行期间，需要进行调整来适应要加热的零件的位置或规格的改变，并需要根据这一改变来调整期望的温度曲线。

现有技术有可能控制每个注入功率区的加热，但是在加热区中的温度曲线的控制依然涉及线圈的几何设计以及它们的供电方法，主要通过注入它们的电流的幅值变化。这些电流的确定以及由此产生的校正非常有助于由于相互感应而存在于线圈之间的磁耦合，各个上电线圈都会对其它所有线圈产生影响。在不考虑可能对频率发生器产生不利影响的情况下，例如组件的损坏，磁耦合使得对被加热零件的温度曲线的控制变得极为困难。

专利申请WO00/28787A1描述了一种适用于通过感应线圈来加热管状金属零件的系统，该感应线圈由连接着逆变器类型的电源的减光器类型的开关电路的中间部分供电。控制电路有可能改变由电源注入各个线圈的功率持续时间，以便根据所期望的温度曲线来分别加热金属零件的不同区域。因此，可以“全部或一个也不”的方式将功率注入到线圈中，即，可以防止一个周期对应于逆变器信号的多个周期。然而，此系统也有缺陷，并且具体为它有可能只能控制各个线圈所产生的平均功率而不能精确控制被加热的零件中由线圈所形成的温度曲线。此外，该文献揭示了线圈和逆变器的连接必须达到根据负载和期望获得的温度曲线所定义的一定程度。再者，此文献没有提及电路之间的磁耦合或者不受它们影响或将它们考虑在内的方式。

发明内容

本发明的目的在于克服这些缺陷并提供一种加热方法，它既考虑不同感应器之间又考虑感应器和要加热的零件之间的大量耦合，从而有可能以良好的准确度来控制感应器所形成的温度曲线。本发明的一个特殊目的是通过作用于为感应器供电的逆变器的控制而无需调整感应器的结构，就能够将加热实时调整至不同的期望温度曲线。

为此，本发明涉及一种在用于加热金属零件的设备中实施感应加热的方法，所述设备包括磁耦合感应器，每个感应器由与电容器关联从而形成振荡电路的专用逆变器供电，所述振荡电路具有至少近似相同的谐振频率，每个逆变器由控制单元控制以改变流过相应感应器的电流的幅值和相位，所述设备还包括用于确定所述电流的装置以及用于确定所述金属零件的实际温度曲线的装置，所述方法包括以下步骤：

a)比较所述实际温度曲线与参考温度曲线并计算所述加热设备必须注入所述零件以实现所述参考温度曲线的参考功率强度曲线；

b)根据由将所述感应器彼此之间以及与所述零件相关联的电磁关系的知识以及由表示由感应器所产生的电流强度与流过感应器的电流之间关系表示的向量图像函数的知识所确定的阻抗矩阵，计算所述逆变器必须产生的目标电流，以使感应器的电流达到适于将所述参考功率强度参数注入所述零件的目标值；

c)确定流过感应器的电流。以将它们与所述目标值作比较并确定要校正的电流偏差，以及根据所述电流偏差将校正指令发送至所述控制单元，以便控制所述逆变器从而校正流过感应器的电流。

归因于这些设置，获得对应用于被加热零件的温度曲线的精确控制，这对于使用同样的设备加热多个不同尺寸和种类的零件来说是理想的。

在根据本发明的加热方法的优选实施例中，具体实现了下述设置中的一项或其它多项：

确定所述电容器的电容，并且所述阻抗矩阵与电容向量相关；

根据所述感应器和所述零件所给定的初始平均温度来确定所述阻抗矩阵的初始值，然后以变化或周期的时间间隔来确定根据所述平均温度的至少一个增加值所修改的阻抗矩阵，并且所述修改的阻抗矩阵可用于重新计算所述目标值；

在连续实施步骤(a)和(b)之后，至少实施一次步骤(c)，以便减少所需校正的电流偏差，然后根据更新的该零件的不同加热区的温度测量值的所述实际温度曲线，至少重复执行一次步骤(a)、(b)和(c)；

对于通过在步骤(b)中计算所述目标值的确定来说，归因于所述向量图像函数的知识，依据注入功率强度的零件区域的空间特性来计算所述功率强度的图像函数，并且通过最小化功率强度的所述图像函数和对应于所述参考功率强度曲线的参考功率强度函数之间的差值来计算所需确定的目标电流的优化向量。

与其它逆变器相比，选择在电流逆变器的情况下具有最高电流或者在电压逆变器的情况下具有最高电压的逆变器作为参考逆变器，并且其它逆变器在相对于参考逆变器的控制角的控制中引入位差角；

调节参考逆变器，使之具有等于2/3的占空比，以便减少由此逆变器对其相邻逆变器所产生的谐波干扰；

通过作用于为逆变器供电的DC电源，来调整所述参考逆变器中的电流的RMS值。

本发明的另一主题是一种感应加热设备，包括：

磁耦合感应器，各个感应器都与一个电容器相关联从而形成一个振荡电路，所述振荡电路具有至少近似相同的谐振频率；

逆变器，各自专用于感应器供电，各个逆变器都由控制单元控制，以便改变流过相应感应器的电流的幅值和相位；

其特征在于，它还包括：

用于确定流过感应器的电流的装置和用于确定由所述设备加热的金属零件的实际温度曲线的装置；

用于比较所述实际温度曲线与参考温度曲线的装置；

用于计算所述加热设备必须注入所述零件的参考功率强度曲线以实现所述参考温度曲线的装置；

基于阻抗矩阵的知识，用于计算所述逆变器必须传输的目标电流的装置，以便感应器的电流达到适当目标值从而将所述参考功率强度曲线注入所述零件；

用于比较流过感应器的电流和所述目标值的装置，使之能够确定所需校正的电流偏差，以及用于处理所述电流偏差的装置，使之能够产生发送给所述控制单元的校正指令，以便控制逆变器实现校正流过感应器的电流。

在根据本发明的加热设备的优选实施例中，具体使用下述设置中的一项和其它多项：

逆变器由相同的电流源或电压源供电，并且比较流过感应器的所述确定电流的所述装置包括比较器单元，各个比较器单元都接收流过感应器的电流的确定参数和相应目标值的参数并且各自都连接着用于处理所述电流偏差的单元，此外，所述比较器单元中的一个单元还接收代表所述电源传输的参数并且它的相关处理单元适用于产生发送至所述电源的调节指令以便修改它所传输的电流或电压。

附图说明

根据下述非限制性实施例的说明并参考下述附图，使得其它特征和优点变得更为清晰：

图1是感应加热设备的第一示例的示意图，该设备可实施根据本发明的加热方法，应用于固定的金属圆盘的加热。

图2是具有三个图1所示的耦合感应器的系统建模的示意图，从电源侧观察。

图3是图1所示的感应加热设备的示意图，应用于移动薄板的加热。

图4是感应加热设备的第二示例的示意图，应用于移动金属条的加热。

图5是感应加热设备的第三示例的示意图，应用于移动薄板的加热。

图6是感应加热设备的第四示例的示意图，应用于移动薄板的加热。

图7是根据电流的优化向量来计算功率强度的图像函数使之有可能最小化所述函数和参考功率强度函数之间差值的示意图。

图8是根据本发明采用电流源作为逆变器的电源的感应加热设备的第一实施例的示意图。

图9是根据本发明采用电压源作为逆变器电源的感应加热设备的第二实施例的示意图。

具体实施方式

在图1中，作为示例所示出的加热设备涉及使用三对双线圈通过横向磁通来加热非磁性的金属圆盘的结构，该结构具有保留该问题的轴对称特征的优点。为了确保整个系统的对称性，放置在圆盘一侧的各个线圈串联连接着双线圈中位于圆盘另一侧的线圈从而形成单个感应器。这样，在转动过程中，系统是不变的。此外，为了以线性的假定来工作，应当考虑的是该系统的电磁材料具有恒定和单一的渗透性。各个感应器由串联(电压逆变器)或并联(电流逆变器)的专用逆变器供电。

在图2中，采用耦合感应器形式的系统建模使之有可能表现不同的现有交互。这一建模还允许感应器的电源设计以及必须注入的电流值的计算。

对于每个设想的加热结构，都必需确定该系统的阻抗矩阵，以便针对给定的几何结构来反映该系统的磁和电状态。该矩阵的维数N由感应器的数量给定，在此例中N＝3。

阻抗矩阵必须是完整的，以便考虑所有的耦合作用。由于该矩阵的确定可能是复杂的，因此可使用多个模拟或数字装置，或者通过注入特定信号的连续在线测量装置。

于是，通过建模，该系统的一般方程式可写成：

V：感应器两端之间的正弦电压；

I：感应器线圈中流过的电流；

Z：系统的阻抗矩阵。

在这里所考虑的示例中，矩阵Z可写成如下形式：

$Z=\left[\begin{array}{ccc}{Z}_{11}\left(\mathrm{\ω}\right)& Z_{12}\left(\mathrm{\ω}\right)& Z_{13}\left(\mathrm{\ω}\right)\\ Z_{21}\left(\mathrm{\ω}\right)& Z_{22}\left(\mathrm{\ω}\right)& Z_{23}\left(\mathrm{\ω}\right)\\ Z_{31}\left(\mathrm{\ω}\right)& Z_{32}\left(\mathrm{\ω}\right)& Z_{33}\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]$ 或者：

$Z=\left[\begin{array}{ccc}{R}_{11}+j{L}_{11}\mathrm{\ω}& R_{12}+j{L}_{12}\mathrm{\ω}& R_{13}+j{L}_{13}\mathrm{\ω}\\ R_{21}+j{L}_{21}\mathrm{\ω}& R_{22}+j{L}_{22}\mathrm{\ω}& R_{23}+j{L}_{23}\mathrm{\ω}\\ R_{31}+j{L}_{31}\mathrm{\ω}& R_{32}+j{L}_{32}\mathrm{\ω}& R_{33}+j{L}_{33}\mathrm{\ω}\end{array}\right]$

L_mm：表示各个感应器的自感；

L_mn＝L_nm：表示感应器之间的互感；

R_mm：表示各个感应器的自有电阻；

R_mn＝R_nm：表示归因于感应电流的等效电阻。

在具备线圈和所需加热的零件之间电磁关系的知识的情况下，能够继续进行对要注入每个线圈以便获得期望加热的电流的计算。

应当注意的是，多种不同的传统结构或计算方法试图最小化非对角耦合项，以便克服与线圈之间交感的相关问题。此外，对于弱耦合的多种情况下，各个感应器的自有电阻与归因于感应电流的等效电阻相比通常较大。于是，传统的方法使用简化矩阵，即不完整矩阵，它仅保持对角项。这意味着加热的简化调节，但会损害对温度曲线的精确控制以及装置的灵活度，尤其是在位于线圈下方的区域中。正相反，本发明考虑了该系统的完整阻抗矩阵，以便提升对要注入线圈的电流的确定并进而提升对被加热零件的温度曲线的控制。

在所描述的示例中，有由三个不同电流源供电的三个感应器。确定要注入各个线圈的电流相当于确定五个未知变量，流过感应器Ind1的电流的相位被用作为参考并因此而不是未知的。事实上，对于由给定的薄片所构成的需加热零件来说，未知数包括：

I₁：流过感应器Ind1的电流的RMS值，其电流用作为相位参考；

I₂和流过感应器Ind2的电流的RMS值以及该电流相对于I₁的相移；

I₃和流过感应器Ind3的电流的RMS值以及该电流相对于I₁的相移。

根据上文，可以理解的是，本发明考虑完整阻抗矩阵，使得加热零件的温度曲线的控制不仅必须控制流过感应器的电流的幅值，还必须通过控制这些电流相互彼此的相移，这就意味着要控制各个逆变器，使之能够改变流过相应感应器的电流的幅值和相位。

考虑到上述关系，未知数的向量因此可写成：

这不可能采用通常的解决方法来简单地确定这些未知数。实际上，除了非常简单的情况之外，涉及几何数据、流过感应器的电流、电磁场的空间分布以及所有点处的功率强度的分析公式由于具有如此多的变量而因此实质上是不可能的。传统的场计算软件产品是基于将待研究区域分解为基本网格的数字技术，使之有可能获知磁场的分布并进而能够以注入感应器的电流函数来计算导电零件中的功率强度。在该情况下，如果存在向量X的一个或多个值，则由于知道其数值，就会产生反转的问题，从而有可能获得该零件中的期望功率强度曲线。

通过应用热方程式，众所周知，注入导电零件的功率强度Dp给出所需加热产品热性能的好的图像。例如，在静态加热的情况下，若被处理材料的移位速度为零，则被处理材料的瞬时温度T的知识按照惯例需要简化形式的热方程式的暂时解：

$\mathrm{\ρ}\·C_p\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{div}(\mathrm{\λ}\·\mathrm{grad}T)+\mathrm{Dp}$

ρ：表示强度；

C_p：表示比热容量；

λ：表示热导率。

解此方程式涉及实时集成，这并不很困难。此外，在“瞬间”加热的情况下，即，加热时间足够短，以致在这一期间材料内的热扩散可被忽略，则该表达式进一步简化为：

$\mathrm{\ρ}\·C_p\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{Dp}---\left(2\right)$

因此，获得传统的简化表达式，使之能够将注入的功率强度Dp和温度的升高相关联。于是，根据被加热零件期望的热曲线来获取寻求的功率强度曲线。

在参考图1所示的示例中，该系统既不会随着薄片所制成圆盘的旋转轴而变化，也不会在薄片的厚度方向变化。因此，仅仅只考虑该圆盘的单一维度，即该圆盘的被考虑区域的径向。为了确定未知数的向量x，众所周知，可由下述方程式来计算沿着被考虑区域的半径的功率强度：

$\mathrm{Dp}(r,x)=\frac{1}{\mathrm{\σ}}{\left|\underset{\‾}{J}\right|}^2,$ 也就是说： $\mathrm{Dp}(r,x)=\frac{1}{\mathrm{\σ}}(J_R^2(r,x)+J_I^2(r,x))---\left(3\right)$

其中σ表示电导率，J表示零件中在半径r上定义的电流强度向量，J_R(r，x)和J_I(r，x)表示该向量作为被考虑区域半径的函数的实部和虚部分量。

作为示例的系统是完全线性的，即，具体为不具有铁磁材料或磁滞现象。因此，对于三个感应器的各个电源来说，有可能应用电源的叠加定理。将会注意的是，在非线性系统中也可使用相似的原理。于是，所获取的电流强度的图像函数作为被加热圆盘所考虑环状区域的半径r的函数，各个图像函数f_k表示由感应器产生的电流强度J_k(r)和为该感应器供电的电流I_k之间的关系。这些图像函数都是向量函数并且具有实数和虚数分量，这些分量定义为：

$f_{\mathrm{kR}}\left(r\right)=\frac{J_{\mathrm{kR}}\left(r\right)}{I_k}{f}_{\mathrm{kI}}\left(r\right)=\frac{J_{\mathrm{kI}}\left(r\right)}{I_k}$

最后，在我们具有三个感应器的示例中，在圆盘的半径为r的环形区域中的感应的总电流强度的向量计算因此表达为：

其中j2＝-1，给出：

$\underset{\‾}{J}(r,x)=\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}(f_{\mathrm{kR}}\left(r\right)+{\mathrm{jf}}_{\mathrm{kI}}\left(r\right)).(I_{\mathrm{kR}}+{\mathrm{jI}}_{\mathrm{kI}})$

据此

它还可写为：J(r，x)＝J_R(r，x)+jJ_I(r，x) (4)

因此，获得在零件所考虑区域感应的电流强度向量和流过感应器的电流向量之间的关系。一方面，运用与感应器之间的电值相关的阻抗矩阵，另一方面，运用在零件中的电流强度的图像函数，使得用于根据所确定的功率强度曲线来计算未知数的向量x所需的所有信息都可以利用。将会注意到，也有可能在这一计算中使用电容器的向量，即，振荡电路的电容向量，由于这些电容因为制造公差以及它们此外还可有点偏差而一般不会严格相等。对于所述计算，有可能使用求解偏微分方程的软件，采用诸如有限元、有限差分、有限体积、边界积分、部分元等效电路等多种可能的数字技术或任意其它同类技术。

已经针对相对简单的磁耦合系统的给定示例描述了此方法，然而它也可替代应用于任意更复杂和非对称的系统。线圈的数量并不受限并且可以设想线圈或所要加热的零件的多种不同形状和结构，如图3至6所示的示例。

一旦确定了电流强度的图像函数，通过上述方程式(3)和(4)所给出的关系，就能确定功率强度的图像函数Dp(r，x)。此外，更为有利的是，可以通过计算来优化未知数向量x。优化问题包括计算优化的向量x，使之有可能最小化功率强度图像函数和参考功率强度函数Dp^ref(r)之间的差，参考功率强度函数对应于所需寻求注入金属圆盘的参考功率强度曲线。如果寻求圆盘的温度均匀性，则参考功率强度函数例如假定为常数值。然而，也有可能不是常数函数，以便获得特定的加热曲线。使用图1所示的设备，申请人进行了不同参考功率强度函数的测试，例如，对应于沿着圆盘径向的正弦曲线或三角曲线的测试，并且其测试结果非常令人满意。

因此，优化包括最小化函数g(r，x)＝|Dp(r，x)-Dp^ref(r)|同时对于所需寻求的未知数固定上限和下限和这就有可能，除了其他方面之外，消除异常解或不具有物理真实性的解。优化问题的方程式相当于最小化g(r，X)，其中x＝{x₁，...，x_n}^T并且i＝1，...，n。

对于给定的金属盘来说，在解决了该问题之后，便可获得优化向量x，包括流过感应器的电流向量的所有幅值及其各自的相位。对于直径为650mm的示例圆盘来说，其结果为：在参考功率强度|Dp^ref|等于10MW/m³的情况下，功率强度图像函数的最大相对偏差为3％，如图7中的Dp(r，x)所示。

此解决方法很容易进行推广，以便考虑圆盘的多个维度，例如三个维度，如果半径除外，还可以考虑所考虑区域的角坐标和厚度，同时还考虑各个线圈的端点处电抗补偿必需的等效，使得三个振荡电路以非常接近的频率振荡。因此，原先只具有五个未知数的向量现在变为具有十八个未知数的向量，但并没有改变物理系统。

上文所解释的用于确定优化向量x的方法在根据本发明的感应加热方法中得到有利地使用，具体为，此方法能够在图8和9所示的一个或其它加热设备中实施。

图8是根据本发明的感应加热设备的第一实施例的示意图，其中逆变器的电源1采用DC电流源。

加热设备包括磁耦合感应器Ind1，Ind2，...，Indp，各个感应器都由专用电流逆变器O1，O2，...，Op供电，逆变器与电容器C₁，C₂，...，C_p相关联，从而形成振荡电路OC1，OC2，...，OCp。电流逆变器与电源1串联连接。一般来说，每个逆变器都包括双向电子开关并还由称为调制器M1，M2，...，Mp的控制单元控制。每个调制器为所述开关产生脉冲形式的控制指令，并且这些指令的时间偏移使之有可能改变流过相应感应器的电流I₁，I₂，...，I_p的幅值A₁，A₂，...，A_p和相位通过将位差角引入到控制逆变器的调制器所产生的信号来控制每个逆变器输出端的电流基频幅值的变化。正如下文所解释的那样，通过选择参考逆变器，其它逆变器的位差角相对于参考逆变器的控制角引入。例如，可以具有等于2/3的占空比(即控制角为30°)的方式来控制参考逆变器。

振荡电路具有至少近似相同的谐振频率，由于感应器大体上工作于这一频率，这就有可能获得最大的感应效果，并且还有可能减少逆变器的损耗。因此，由调制器所产生的逆变器的周期控制信号具有大体相同的频率。为了改变流过感应器的电流I₁，I₂，...，I_p的相位 它能够时移相应逆变器的控制信号，即，将相同的时移应用至逆变器的开关的全部控制信号。相关于另一感应器的逆变器的控制信号作为控制信号，无论超前或延迟，该时移都可获得同样好的效果。

为了实时控制要注入被加热零件的功率强度以便实现所寻求的温度曲线，必需提供确定流过感应器的电流的幅值和相位参数的确定装置，以便能够校正逆变器的控制。提供确定感应器的电流I₁，I₂，...，I_p的幅值和相位参数的装置，在图中未示出，可用于将这些参数供给比较器单元ε₁，ε₂，...，ε_p。这些确定装置可包括例如各自与感应器串联设置的变流器，但是也可设想其它装置。例如，有可能测量由逆变器供给振荡电路的有效电流并使用电感和电容参数来计算流过感应器的电流。

此外，还提供了确定被加热零件10的实际温度曲线的装置，在图中未示出，例如，通过在n个被加热区域上设置热电偶和通过记录测量的温度θ_1 mes，θ_2 mes，...，θ_n mes。还有可能使用热成像相机来确定这些温度，或还有可能通过基于感应电流的计算进行，如果例如对于直接测量来说被加热区域过于狭窄。

例如，在加热过程中，连续确定实际的温度曲线并有规律地与参考温度曲线θ_1 ref，θ_2 ref，...，θ_n ref作比较，所述参考温度曲线对应于该零件所期望的并先前输入存储器中的最终加热曲线。这一比较由集成在所述存储器中的比较器2来实现。结果由计算器根据热方程式所推导出的等式并有可能根据类似上述等式(2)的简化公式进行处理，计算加热设备必须注入所述零件以便获得参考温度曲线的参考功率强度曲线Dp^ref ₁，Dp^ref ₂，...，Dp^ref _n。所述计算器可包括存储器，将对应于零件的一种或多种结构的不同实际温度曲线所预先计算好的参考功率强度曲线表格或者一种或多种参考功率强度曲线输入存储器。

计算器创建逆变器必须传输的目标电流，使得流过感应器的电流达到适当的目标值I_1 ref，I_2 ref，...，I_p ref，以将参考功率强度曲线注入该零件。该计算使用阻抗矩阵Z，它具有向量图像函数f_k以及优选具有上述定义的振荡电路电容的向量。比较器单元ε₁，ε₂，...，ε_p将感应器所测量或计算得到的电流I_1 mes，I_2 mes，...，I_p mes的参数与目标值I_1 ref，I_2 ref，...，I_p ref相比较并确定所要校正的电流偏差δI_1 corr，δI_2 corr，...，δI_p corr，该电流偏差还称之为校正电流。单元CORR₁，CORR₂，...，CORR_p用于处理这些校正电流的幅值和相位参数，以产生发送至调制器的校正指令，从而控制逆变器校正流过感应器的电流的幅值和相移。

应当理解的是，通过控制流过感应器的电流的相移，就不需再寻求获得零相移或固定相移。正相反，可寻求将相移用作为调整参数来实时调整要注入被加热零件的功率强度，这有可能考虑完整阻抗矩阵来实现，正如上文所阐述的那样。换句话说，相移可用作为温度曲线控制参数。例如，由调制器所产生的逆变器的控制信号的每四分之一周期可提供对流过感应器的电流相移的实时控制，以根据不同的曲线更精确地控制温度，例如平坦曲线，或者线性(一阶多项式)或非线性(大于1阶的多项式)的递增或递减的曲线。

有利的是，对于感应器和需要加热的零件所给定的初始平均温度θ_ini，有可能确定阻抗矩阵Z的初始值Z_ini，然后对于平均温度θ的至少一个增加的值θ_mod，可以可变或周期性的时间间隔来确定修改的阻抗矩阵Z_mod(θ)，并且使用该修改的阻抗矩阵来重新计算目标电流。在可变采样时间间隔的情况下，每当所测量到的平均温度θ基本达到一系列预定值中的新的增加值θ_mod时，就进行目标电流的计算。

有利的是，为最低阻抗的感应器供电的电流逆变器，例如，如图1所示示例中的线圈Ind1，可选择用作为参考逆变器，因为流过该感应器的电流高于流过其它感应器的电流，所以优选用作为相位参考。电流逆变器具有最大的电流，或者如图9所示，在逆变器的电源1是电压源的情况下，电压逆变器具有最高的电压，可用作为参考逆变器。此外，参考逆变器可有利于调整为具有2/3的占空比，也就是说，控制其每半个周期产生120°ON和60°OFF的矩形波。其目的在于消除三阶谐波及其倍数的谐波，以便减少由此逆变器对其相邻逆变器所产生的谐波干扰。应当理解的是，参考逆变器的占空比并不必需调整为2/3的数值。例如，在某些情况下，全波控制可能更为优选。

流过参考逆变器的电流的RMS值可通过DC电流或电压源1的启动来调整。具体的说，这具有下述优点，所具有的未知数向量(参见上述方程式1)中已经消除了流过感应器Ind1的电流的相位，正如上述示例所述，从而简化了对优化向量x的获取。应当理解的是，作为选择的，通过将相移角引入参考逆变器的控制中，有可能调整流过参考逆变器的电流的RMS值。在图8中，由于电流I₁用作为相位参考，则有利的是，相应的比较器单元ε₁接收由DC电源1所传输的电流参数I_c mes。这样，相关的处理单元CORR₁适用于产生校正指令并通过控制调制器M’1发送至电源1，以便修改由逆变器O1传输至振荡电路OC1的电流，使之有可能控制该电流的幅值并因此修改流过感应器Ind1的电流I₁的幅值。

为了使用上述加热设备来加热金属零件，使用包括如下步骤的方法：

a)比较零件的实际温度曲线和预定参考温度曲线并计算加热设备必须注入该零件以便实现参考功率曲线的参考功率强度曲线；

b)根据系统的阻抗矩阵Z，优选地与振荡电路的电容向量相关联，并通过向量图像函数f_k的知识，计算逆变器必须产生的目标电流，以便流过感应器的电流达到适于将参考功率强度曲线注入该零件的目标值；

c)通过测量或通过计算，来确定流过感应器的电流，以便将它们与这些电流的目标值作比较并确定所要校正的电流偏差，以及将校正指令发送至调制器，以便控制逆变器实现校正电流。

当然，目标电流以及所测量或计算的感应器电流都是电流向量，并因此不仅需要考虑其幅值，还需要考虑其相位。

有利的是，在连续执行完步骤(a)和(b)之后，至少执行一次步骤(c)，以便减少所要校正的电流偏差，并且然后根据更新的具有零件不同加热区中的温度测量值的实际温度曲线，至少重复执行一次步骤(a)，(b)和(c)。

图9是根据本发明的感应加热设备的第二实施例的示意图，其中逆变器的电源1是DC电压源。

该加热设备相似于图8所示的第一实施例的加热设备，只不过电流逆变器与电压源并联连接。此实施例具有某些优点，尤其是减少了逆变器中的传导损耗。另一方面，表示电源1传输给逆变器O1的电流的电流参数I_c calc必须使用阻抗矩阵Z’根据电源电压来计算。

Claims (15)

1.在适用于加热金属零件的设备中实施的感应加热方法，所述设备包括磁耦合感应器(Ind1，Ind2，…，Indp)，各个感应器由专用逆变器(O1，O2，…，Op)供电，所述专用逆变器与电容器(C1，C2，…，Cp)相关联以便形成振荡电路(OC1，OC2，…，OCp)，所述振荡电路具有至少近似相同的谐振频率，各个逆变器由控制单元(M1，M2，…，Mp)控制，以便改变流过相应感应器的电流(I₁，I₂，…，I_p)的幅值(A₁，A₂，…，A_p)和相位(φ₁，φ₂，…，φ_p)，所述设备还包括用于确定所述电流(I₁，I₂，…，I_p)的装置以及用于确定所述金属零件的实际温度曲线(θ_1 mes，θ_2 mes，…，θ_n mes)的装置，所述方法包括以下步骤：

a)比较所述实际温度曲线(θ_1 mes，θ_2 mes，…，θ_n mes)与参考温度曲线(θ_1 ref，θ_2 ref，…，θ_n ref)并计算所述加热设备必须注入所述零件以实现所述参考温度曲线的参考功率强度曲线(Dp^ref ₁，Dp^ref ₂，…，Dp^ref _n)；

b)根据由将所述感应器彼此之间以及与所述零件连结的电磁关系的知识以及由表示由感应器产生的电流强度与流过感应器的电流(I₁，I₂，…，I_p)之间关系的向量图像函数(f_k)的知识所确定的阻抗矩阵(Z)，来计算所述逆变器必须产生的目标电流，以使流过感应器的电流达到适于将所述参考功率强度曲线(Dp^ref ₁，Dp^ref ₂，…，Dp^ref _n，)注入所述零件的目标值(I_1 ref，I_2 ref，…，I_p ref)；

C)确定流过感应器的电流(I_1 mes，I_2 mes，…，I_p mes)，以将它们与所述目标值(I_1 ref，I_2 ref，…，I_p ref)作比较并确定所要校正的电流偏差(δI_1 corr，δI_2 corr，…，δI_p corr)，以及根据所述电流偏差将校正指令发送至所述控制单元(M1，M2，…，Mp)，以便控制所述逆变器实现校正流过感应器的电流。

2.根据权利要求1所述的加热方法，其特征在于，确定所述电容器(C1，C2，…，Cp)的电容并且所述阻抗矩阵(Z)与电容的向量(C)相关联。

3.根据权利要求1或2所述的加热方法，其特征在于，确定适用于所述感应器和所述零件所给定的初始平均温度(θ_ini)的所述阻抗矩阵(Z)的初始值(Z_ini)，然后以可变或周期的时间间隔来确定适用于所述初始平均温度的至少一个增加值(θ_mod)的修改阻抗矩阵(Z_mod(θ))，并且使用所述修改的阻抗矩阵来重新计算所述目标值(I_1 ref，I_2 ref，…，I_p ref)。

4.根据权利要求1或2中所述的加热方法，其特征在于，在连续执行了步骤(a)和(b)之后，至少执行一次步骤(c)，以便减少要校正的电流偏差(δI_1 corr，δI_2 corr，…，δI_p corr)，然后根据更新的具有位于所述零件的不同加热区的温度测量值的所述实际温度曲线(θ_1 mes，θ_2 mes，…，θ_n mes)，至少重复执行一次步骤(a)，(b)和(c)。

5.根据权利要求1或2所述的加热方法，其特征在于，对于通过在步骤(b)中计算从而确定所述目标值(I_1 ref，I_2 ref，…，I_p ref)，归因于所述向量图像函数(f_k)的知识，根据注入所述功率强度的零件的区域的空间特性(r)计算功率强度的图像函数(Dp(r，x))，并且通过最小化功率强度的每个所述图像函数(Dp(r，x))和对应于所述参考功率强度曲线(Dp^ref ₁，Dp^ref ₂，…，Dp^ref _n，)的参考功率强度函数(Dp^ref(r))之间的差值来计算所要确定的目标电流的优化向量(X)。

6.根据权利要求1或2所述的加热方法，其特征在于，与其它逆变器(O2，…，Op)相比，在电流逆变器(O1)的情况下具有最大电流或者在电压逆变器的情况下具有最高电压的逆变器(O1)被选择作为参考逆变器并且在其它逆变器的控制中引入相对于参考逆变器的控制角的位差角。

7.根据权利要求6所述的加热方法，其特征在于，调整所述参考逆变器(O1)，使之具有等于2/3的占空比，从而减少由此逆变器对其相邻逆变器(O2，…，Op)所产生的谐波干扰。

8.根据权利要求6所述的加热方法，其特征在于，通过为逆变器(O1，O2，…，Op)供电的DC电源(1)启动来调整所述参考逆变器(O1)中电流的RMS值。

9.感应加热设备，包括：

磁耦合感应器(Ind1，Ind2，…，Indp)，各个感应器与电容器(C1，C2，…，Cp)相关联从而形成振荡电路(OC1，OC2，…，OCp)，所述振荡电路具有至少近似相同的谐振频率；

逆变器(O1，O2，…，Op)，各个逆变器为专用感应器(Ind1，Ind2，…，Indp)供电，各个逆变器都由控制单元(M1，M2，…，Mp)控制，以便改变流过相应感应器的电流(I₁，I₂，…，I_p)的幅值(A₁，A₂，…，A_p)和相位(φ₁，φ₂，…，φ_p)；

其特征在于，它还包括：

确定流过感应器的电流(I₁，I₂，…，I_p)的装置以及确定由所述设备加热的金属零件的实际温度曲线(θ_1 mes，θ_2 mes，…，θ_n mes)的装置；

比较所述实际温度曲线(θ_1 mes，θ_2 mes，…，θ_n mes)与参考温度曲线(θ_1 ref，θ_2 ref，…，θ_n ref)的装置；

计算所述加热设备必须注入所述零件以实现所述参考温度曲线的参考功率强度曲线(Dp^ref ₁，Dp^ref ₂，…，Dp^ref _n)的装置；

基于阻抗矩阵(Z)的知识，计算所述逆变器必须传输的目标电流的装置，以便感应器的电流达到适当目标值(I_1 ref，I_2 ref，…，I_p ref)，实现将所述参考功率强度曲线(Dp^ref ₁，Dp^ref ₂，…，Dp^ref _n，)注入所述零件；

比较流过感应器的电流(I_1 mes，I_2 mes，…，I_p mes)与所述目标值(I_1 ref，I_2 rer，…，I_p rer)并能确定要校正的电流偏差(δI_1 corr，δI_2 corr，…，δI_p corr)的装置(ε₁，ε₂，…，ε_p)，以及处理所述电流偏差以能够产生发送给所述控制单元(M1，M2，…，Mp)的校正指令以控制逆变器实现校正流过感应器的电流的装置。

10.根据权利要求9所述的加热设备，其特征在于，所述逆变器(O1，O2，…，Op)由相同电流源或电压源(1)供电，并且其中比较流过感应器的电流(I_1 mes，I_2 mes，…，I_p mes)的所述装置包括比较器单元(ε₁，ε₂，…，ε_p)，每个比较器单元都接收流过感应器的电流(I_1 mes，I_2 mes，…，I_p mes)所确定的参数(A₁，φ₁；A₂，φ₂；…；A_p，φ_p)以及相应目标值(I_1 ref，I_2 ref，…，I_p ref)的参数，并且各自都连接着用于处理所述电流偏差的单元(CORR₁，CORR₂，…，CORR_p)，所述比较器单元中的一个(ε₁)此外还接收代表所述电源(1)所传输的参数(I_c mes，I_c cslc)并且其相关处理单元(CORR₁)适用于产生发送至所述电源(1)的校正指令以便修改它所传输的电流或电压。

11.根据权利要求3所述的加热方法，其特征在于，在连续执行了步骤(a)和(b)之后，至少执行一次步骤(c)，以便减少要校正的电流偏差，然后根据更新的具有位于所述零件的不同加热区的温度测量值的所述实际温度曲线，至少重复执行一次步骤(a)，(b)和(c)。

12.根据权利要求3所述的加热方法，其特征在于，对于通过在步骤(b)中计算从而确定所述目标值，归因于所述向量图像函数的知识，根据注入所述功率强度的零件的区域的空间特性计算功率强度的图像函数，并且通过最小化功率强度的每个所述图像函数和对应于所述参考功率强度曲线的参考功率强度函数之间的差值来计算所要确定的目标电流的优化向量。

13.根据权利要求3所述的加热方法，其特征在于，与其它逆变器相比，在电流逆变器的情况下具有最大电流或者在电压逆变器的情况下具有最高电压的逆变器被选择作为参考逆变器并且在其它逆变器的控制中引入相对于参考逆变器的控制角的位差角。

14.根据权利要求4所述的加热方法，其特征在于，对于通过在步骤(b)中计算从而确定所述目标值，归因于所述向量图像函数的知识，根据注入所述功率强度的零件的区域的空间特性计算功率强度的图像函数，并且通过最小化功率强度的每个所述图像函数和对应于所述参考功率强度曲线的参考功率强度函数之间的差值来计算所要确定的目标电流的优化向量。

15.根据权利要求4所述的加热方法，其特征在于，与其它逆变器相比，在电流逆变器的情况下具有最大电流或者在电压逆变器的情况下具有最高电压的逆变器被选择作为参考逆变器并且在其它逆变器的控制中引入相对于参考逆变器的控制角的位差角。