CN106133156B - 用于使金属线、绞合线、线丝、线材或条带退火的电阻退火炉 - Google Patents

用于使金属线、绞合线、线丝、线材或条带退火的电阻退火炉 Download PDF

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Abstract

一种用于使金属线、绞合线、线丝、线材或条带退火的电阻退火炉，具有：至少两个电动轴(5‑7)，设置有相应的滑轮(8‑10)用于传送金属线(2)；以及DC电压生成器装置(14)，可由AC电压源(15)供电以生成退火电压(Uann)施加在两个电动轴(5‑7)之间。DC电压生成器装置(14)具有：第一电压整流器级(19)，可连接至AC电压源(15)以产生中间DC电压(Udc)；有源电力滤波器(23)，连接以在第一电压整流器级(19)的输入端补偿电流谐波；脉宽调制器(20)，将中间电压(Udc)变换成第一PWM电压(Uml)；变压器(21)，将第一PWM电压(Uml)变换成对应的第二PWM电压(Um2)；以及第二电压整流器装置(22)，将调制的第二PWM电压(Um2)变换成退火电压(Uann)。

Description

用于使金属线、绞合线、线丝、线材或条带退火的电阻退火炉
技术领域
本发明涉及用于金属线、绞合线(strand)、线丝(string)、线材(wire rod)、或条带(strap)退火的电阻退火炉。
具体地，本发明是有利地，但不是专门应用于直列电阻退火炉，即直接放置在用于制造金属线或线材的机器，例如，拉伸机的出口，在以下描述中将其作为明确参考，但不会因此而失去一般性。
背景技术
适合于与拉伸机布置成直列的直流电阻退火炉通常包括：至少两个，并且具体地三个电动轴，该电动轴设置有相应的滑轮并且使电动轴机动化以馈送(feed)金属线、多个从动或机动的传动辊以及机动的出口延伸圈。传动辊和出口延伸圈被布置为限定金属线的给定路径，其开始于第一电动轴，在另两个电动轴和传动辊转向并结束于出口延伸圈。
退火炉包括电气设备，用于产生施加在第二电动轴和另两个电动轴之间的直流电压，即电压的正电位被施加至第二电动轴并且电压的负电位被施加至第一电动轴和第三电动轴两者。退火处理通过由于在第二电动轴和另两个(第一和第三)电动轴之间的第一金属线长度的电流通路导致的焦耳效应而发生。
线的路径被分成：第一预热段，从第一电动轴前进至第二电动轴；真正的退火段，从第二电动轴前进至第三电动轴；以及冷却段，从第三电动轴前进至出口延伸圈。预加热段比退火段更长，使得预加热段中的线的温度低于环形段中的线的温度。
施加在退火轴之间的电压和在线中循环的对应电流通常被称为“退火电压”和“退火电流”，并且通常取决于预加热段和退火段的长度，取决于沿着路径的线的馈送速度和线的截面。具体地，已知的是，通过使用所谓的退火曲线表示退火电压和线的馈送速度之间的相关性。根据退火曲线，所需要的退火电压随着馈送速度的增加而增加。此外，一般而言，退火电流随着线的截面的增加而增加。对于给定的线的截面值，最大线(wire)速度值由诸如冷却段的冷却能力的各个因素确定。可以得出，速度对于线的小横截面可以高，该小横截面与低退火电流对应，并且因此退火电压必须高。另一方面，对于大的横截面速度必须更低，该大的横截面与高退火电流相对应，并且因此退火电压必须更低。
电气设备包括三相变压器，其中初级电路由三相网络供应，例如，400V和50Hz的三相网络，以及受控整流器电路，耦接至变压器的次级电路以提供退火电压。为了达到所需要的退火温度(几百摄氏度)，变压器尺寸形成为供应交流电压至次级电路，该交流电压具有按将要获得的最大退火电压和最大退火电流的大小顺序排列的振幅，最大退火电流取决于退火炉(线路径长度和线馈送速度)的总体特征和线的截面。例如，变压器尺寸形成为对大约1000kVA的功率提供大约70V的交流电压。
整流器通常由晶闸管桥构成(SCR)。退火电压的调制通过改变晶闸管的触发角获得。换言之，电压从最大值开始随着晶闸管的触发角的减少而降低。然而，触发角减少了装置的功率因数，即增加由设备与电力网交换的无功功率。高的无功功率产生的电力接合，不能创建有效的工作。此外，控制电力在电力网上的配电的国家管理机构在无功功率超过输送的有效功率的给定百分比时通常会适用处罚。
上述设备的另一缺点是变压器的笨重的尺寸，这实际上对于其的使用而言过大了，因为其从不将最高电压下的最大电流提供至次级电路。
已知有克服上述装置的一些缺点的电气设备。这些其他设备与所描述的设备的不同主要在于其包括具有多个抽头点(tap point)在初级电路上的变压器。允许最大化整流器的晶闸管的触发角并且因此最小化无功功率的初级电路的抽头点，根据将被退火的线的截面来进行选择。然而，具有初级电路的多个抽头点的变压器同样过大，并且就一切情况而论更复杂并且比具有简单的初级电路的变压器成本高。此外，构造初级电路上的抽头点多于四个的大尺寸的变压器(例如，用于次级电路上的1000kVA的70V)是在经济上有困难的。
替换使用具有多个轴头点的初级电路的变压器的已知的架构包括简单的初级电路变压器和AC/AC逆变器，该AC/AC逆变器耦接至变压器的初级电路以便将初级电路的电力电压调整至更高数量的水平并且因此相应地调整由次级电路提供的电压。这种解决方案允许进一步减少无功功率，但保留了与大尺寸的变压器相关的缺点。
发明内容
本发明的目标是制成一种使金属线退火的电阻退火炉，该炉没有上述缺点并且同时容易制成并且成本效益高。
根据本发明，提供一种如所附权利要求中所限定的一种用于金属线、绞合线、线丝、线材或条带退火的电阻退火炉。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，该附图示出了本发明的非限制性的实施方式，其中：
-图1示意性地示出根据本发明制成的电阻退火炉；
-图2通过方框图的方式示出图1中的炉的退火电压生成器；
-图3示出图2的电压生成器的各个中间点的电压波形；及
-图4更详细地示出图2的电压生成器的内部级(inner stage)。
具体实施方式
在图1中，参考标号1一般地表示作为一个整体的直流电阻退火炉，用于使金属线退火，金属线由参考标号2表示，例如铜线或铝线。退火炉1是适合于直列(in-line)插入的类型，即在拉伸机(未示出)的出口处。线2从拉伸机出来并且通过在方向3上向前移动进入退火炉1并且在方向4上从退火炉1退出。
参考图1，退火炉1包括：三个电动轴5、6和7，该电动轴设置有相应的滑轮8、9和10；两个传动辊11和12，该传动辊是从动的或是机动的并且被布置在前两个电动轴5和6之间；以及机动的出口延伸圈13。传动辊11和12以及出口延伸圈13被布置成限定线2的给定路径，开始于电动轴5的滑轮8，转过传动辊11和12以及另两个电动轴6和7的滑轮9和10，并且结束于出口延伸圈13。线2由出口延伸圈13牵拉沿着这样的路径行进。有利地，电动轴5-7也被机动化以帮助对线2的牵拉。
退火炉1包括直流电压生成器14，该直流电压生成器可以被供应交流电压，并且尤其是由三相电力网15提供的三相电压Uac，以便产生直流电压，在附图中由Uann表示的所谓的“退火电压”，该退火电压被施加在电动轴6与两个电动轴5和7之间。换言之，电压Uann的正电位被施加至电动轴6并且电压Uann的负电位被施加至另两个电动轴5和7。因为电动轴6与两个电动轴5和7之间的线长度的电流的通路，退火处理通过焦耳效应来进行。
线2的路径被分成：预加热段，由参考标号16表示并且从电动轴6穿过传动辊11和12而行进至电动轴5；真正的退火段，由参考标号17表示并且从电动轴6行进至电动轴7；以及冷却和干燥段，由参考标号18表示并且从电动轴7行进至出口延伸圈13。在所考虑的实例的情况下，线2由铜或铝制成，预加热段16比退火段17更长，使得，比沿着线2的段17的部分中循环的电流Iann更低的电流Iprh，在沿着线2的段16的部分中循环，线2的截面是相同的。以这种方式，段16中的线2的温度将比段17中的线2的温度低。冷却和干燥段18穿过充满冷却液的容器并且设置有干燥装置，容器和干燥装置本身是已知的并且因此未示出。
参考图2，根据本发明，电压生成器14包括：输入电压整流器级19，具有输入端通过由三相电压Uac供电的三相线或总线25的方式连接至三相电力网15，并且输入电压整流器级19适用于提供由Udc表示的中间直流电压；中间脉宽调制级20，或者更简单地PWM调制器级，以便将中间电压Udc变换成由Uml表示的第一PWM电压，该第一PWM电压具有零平均值和基本等于中间电压Udc的振幅；高频变压器21，具有高于1的变压比以将电压Uml变换成由Um2表示的相应的第二PWM电压，但是该第二PWM电压具有除零以外的平均值和比电压Uml的振幅更小的振幅；输出电压整流器级22，用于将电压Um2变换成退火电压Uann；以及三相有源电力滤波器(APF)23，为了简单在下文中被称为有源滤波器，在内部三相电线25的点24并联连接至内部三相电线。
图3以定性的方式并且仅通过实例示出了各种电压Uac、Udc、Uml、Um2和Uann的波形。
整流器级19是无源非受控类型，并且尤其是包括三相整流二极管桥和低通滤波器LC。通过举例的方式，假定三相电压Uac是400V和50Hz，整流器级19提供中间电压Udc，该中间电压Udc大约包括在530V和540V之间，从而将具有确定了功率因数低于0.8的无功分量的三相电流iL施加在三相线25上。
本身是已知的，并且因此未详细示出的有源滤波器23具有减少使输入至整流器级19的三相电流iL失真的电流谐波的功能。这样的电流谐波由PWM调制级20生产，该PWM调制级是整流级19的负载。换言之，有源滤波器23的功能是增加从三相电力网15来看的功率因数。有源滤波器23包括：受控的三相桥，包括多个IGBT装置；LC滤波器，连接在三相桥的上游；多个电容器，作为三相桥的负载连接；以及控制单元，控制三相桥。
在有源滤波器23的连接点24的上游连接至三相线25电压传感器26的三元组(triad)与有源滤波器23相结合以测量三相电压Uac，并且电流传感器27的三元组在有源滤波器23的连接点24的下游耦接至三相线25以测量三相电流iL。有源滤波器23的控制单元根据由传感器26和27提供的信号，即根据通过传感器26和27测量的电压和电流，控制三相桥使得有源滤波器23从三相线25汲取已添加至三相电流iL的三相电流iC，从而将没有失真并且因此基本正弦波的三相电流iS外加(impress)至三相电力网15上。换言之，有源滤波器23在整流器级19的输入端处将基本补偿电流谐波的电流谐波引入三相线25中。有源滤波器23允许获得功率因数，从三相电力网15来看该功率因数大于0.95。
参照图4，PWM调制级20包括由中间电压Udc供电的电子开关装置的桥H 31，并且尤其是IGBT装置的桥，以及控制器32，该控制器被配置为控制桥H 31以产生电压Uml并且以以下方式调制电压Uml的脉宽：与由在图2中的Vw表示的线2的当前馈送速度与馈送速度的最大值和最小值之间的差值的比例相关。线2的馈送速度的最大值和最小值取决于退火炉1的特征。电压频率Uml是根据IGBT装置和变压器21的性能而预定的。
每个速度Vw的值与期望的退火电压相对应，在下文中称为“退火设定点”Uref。退火电压可以通过将线2的馈送速度的平方根与常数K相乘来计算，该常数K取决于退火炉1的总体特征并且可以根据已知的技术确定。控制器32接收来自外部装置33的线2的速度Vw，例如连接至退火炉1的入口的拉伸机的控制单元或者耦接至以线2的速度旋转的构件(传动辊11、12，电动轴5、6、7或者延伸圈13)中的一个的速度获取单元。控制器32被配置为将速度Vw的平方根与常数K相乘来计算退火设定点Uref。所以，退火设定点Uref在最小值Urefmin和最大值Urefmax之间变化。
更详细地，控制器32通过调整调整传导偏移(conduction offset)，即桥H 31的一侧(一半)相对于另一侧的传导延迟来控制桥H 31，传导偏移与退火设定点Uref与Urefmin和Urefmax的差值之间的比例成比例。因此，调制信号Uml具有根据由控制器32设置的传导延迟在0和0.5之间变化的占空比。具体地，最小值Urefmin与等于0的占空比相对应并且最大值Urefmax与等于0.5的占空比相对应(具有零平均值的矩形波)。
控制器32包括电压测量装置，该电压测量装置包括连接至无源整流器级22的出口的A/D转换器34以便根据已知的技术测量退火电压值Uann。控制器32还根据退火电压Uann的测量值通过调整传导偏移来控制桥H 31使得退火电压Uann追随退火设定点Uref。实际上，退火过程中，在线2中循环的电流根据线2的材料的加工硬化态以及线2和滑轮8-10之间的接触质量来变化。
变压器21是单相、高频电力变压器，即能够在高于5kHz的频率下操作。这里允许编程PWM调制级20使得其产生高于5kHz的频率下的电压Uml，并且优选地，等于8kHz。
此外，变压器21具有以中央零(central zero)绕组的次级电路，以便将具有零平均值的电压Uml变换成具有非零平均电压的电压Um2，并且具有根据中间电压Udc和最大值Urefmax预定的额定变压比。假定最大值Urefmax等于100V，从而允许在线2大范围的截面值和线2的大范围的馈送速度下退火，并且假定中间电压等于600V，则额定变压比等于6。
上述变压器21要小得多，并且因此使用的材料相同的情况下，与用于产生退火电压的已知的电气设备的变压器的成本相比会更低。
整流器级22是非受控制的、无源类型的，并且尤其是包括两个二极管，每个二极管与变压器21的次级电路的各一半相关联以便作为半波整流器操作，以及低通滤波器LC，连接在二极管的下游。
值得注意的是，电压生成器14不限于在用于线的直列的电阻退火炉中使用，而且还适合于在用于直列地或者非直列地(off-line)(即作为简单的一束(skein)卷绕地或者绕线圈或金属或纸板滚筒卷绕地馈送)馈送的金属铰合线、线丝、线材或条带的电阻退火炉中使用。
此外，电压生成器14一般还可以在仅具有两个电动轴的退火炉1中使用，即没有线、绞合线、线丝、线材或金属条带的预加热段。
上述退火炉1的主要优势是借助于放置在电压生成器14的入口处的三相线25上的有源滤波器23的存在，最小化与三相电力网15交换的无功功率。此外，退火炉1可以借助于连接在有源供应级19和变压器21之间的PWM调制器20的存在，容易的配置用于退火金属线、铰合线、线丝、线材或条带，其中该金属线、铰合线、线丝、线材或条带可具有大范围的值的截面变化和大范围的馈送速度的变化。最后，高频单相变压器21与通常用于已知的退火炉中的50Hz三相变压器相比，显著更紧凑并且成本效益更高。

Claims (11)

1.一种用于使金属线、绞合线、线丝、线材或条带退火的电阻退火炉，所述退火炉(1)包括：至少两个电动轴(5-7)，所述至少两个电动轴设置有相应的滑轮(8-10)以传送所述金属线(2)、绞合线、线丝、线材或条带，以及直流电压生成器装置(14)，所述直流电压生成器装置能够由交流电压源(15)供电以便生成被施加在两个电动轴(5-7)之间的退火电压(Uann)，从而在所述金属线(2)、绞合线、线丝、线材或条带的包括在所述两个电动轴(5-7)之间的部分中产生电流，所述电流由于焦耳效应而引发退火；所述直流电压生成器装置(14)包括：第一电压整流器装置(19)，能连接至所述交流电压源(15)以生成中间直流电压(Udc)；有源滤波装置(23)，所述有源滤波装置并联连接至所述第一电压整流器装置(19)的输入端以补偿在所述第一电压整流器装置(19)的输入端处出现的电流谐波；脉宽调制装置(20)，将所述中间直流电压(Udc)变换成具有相同振幅且具有零平均值的第一PWM电压(Uml)；高频变压器(21)，具有大于1的变压比以将所述第一PWM电压(Uml)变换成具有更小的振幅且具有非零平均值的对应的第二PWM电压(Um2)；以及第二电压整流器装置(22)，将调制的所述第二PWM电压(Um2)变换成所述退火电压(Uann)，所述脉宽调制装置(20)被配置为以和所述金属线(2)、绞合线、线丝、线材或条带的馈送速度(Vw)与所述馈送速度的最大值和最小值之间的差值之间的比例相关，来调制所述第一PWM电压(Uml)的脉宽。
2.根据权利要求1所述的退火炉，其中，所述第一电压整流器装置(19)是无源、非受控类型。
3.根据权利要求1所述的退火炉，其中，所述有源滤波装置(23)包括：IGBT装置的桥；LC滤波器，所述LC滤波器连接在所述IGBT装置的桥的上游；多个电容器，所述多个电容器作为所述IGBT装置的桥的负载被连接；以及第一控制装置，控制所述IGBT装置的桥以执行所述电流谐波的补偿。
4.根据权利要求3所述的退火炉，其中，所述直流电压生成器装置(14)包括：交流总线(25)，所述交流总线将所述第一电压整流器装置(19)的输入端连接至所述交流电压源(15)，所述有源滤波装置(23)被连接在所述交流总线(25)的点(24)；所述直流电压生成器装置(14)包括：电压传感器装置(26)，以测量所述交流总线(25)的所述点(24)的上游的交流电压(Uac)，以及电流传感器装置(27)，以测量所述交流总线(25)的所述点(24)的下游的电流；所述第一控制装置根据由所述电压传感器装置和电流传感器装置(26，27)获得的电压值和电流值来控制所述IGBT装置的桥。
5.根据权利要求1所述的退火炉，其中，所述脉宽调制装置(20)包括：供应有所述中间直流电压(Udc)的电子开关装置的H桥(31)，以及第二控制装置(32)，所述第二控制装置被配置为控制所述电子开关装置的H桥(31)以生成所述第一PWM电压(Uml)并且以和所述金属线(2)、绞合线、线丝、线材或条带的馈送速度(Vw)与所述馈送速度的最大值和最小值之间的差值之间的比例相关，来对所述第一PWM电压进行调制。
6.根据权利要求1所述的退火炉，其中，所述脉宽调制装置(20)包括：供应有所述中间直流电压(Udc)的电子开关装置的H桥(31)；电压测量装置(34)，测量所述退火电压(Uann)；以及第二控制装置(32)，被配置为根据所述金属线(2)、绞合线、线丝、线材或条带的馈送速度(Vw)计算退火电压的期望值(Uref)并且被配置为控制所述电子开关装置的H桥(31)以产生所述第一PWM电压(Uml)并且根据所述退火电压的期望值(Uref)和所述退火电压(Uann)的测量值对所述第一PWM电压进行调制，使得所述退火电压(Uann)的测量值追随所述退火电压的期望值(Uref)。
7.根据权利要求5所述的退火炉，其中，所述电子开关装置的H桥包括IGBT装置的H桥(31)。
8.根据权利要求1所述的退火炉，其中，所述变压器(21)是高频电力变压器并且所述第一PWM电压和所述第二PWM电压(Uml，Um2)具有相同的频率，所述频率高于5kHz。
9.根据权利要求2所述的退火炉，其中，所述第一电压整流器装置(19)包括整流二极管桥和LC低通滤波器。
10.根据权利要求8所述的退火炉，其中，所述频率等于8kHz。
11.一种用于使金属线、绞合线、线丝、线材或条带退火的电阻退火炉，所述退火炉(1)包括：至少两个电动轴(5-7)，所述至少两个电动轴设置有相应的滑轮(8-10)以传送所述金属线(2)、绞合线、线丝、线材或条带，以及直流电压生成器装置(14)，所述直流电压生成器装置能够由交流电压源(15)供电以便生成被施加在两个电动轴(5-7)之间的退火电压(Uann)，从而在所述金属线(2)、绞合线、线丝、线材或条带的包括在所述两个电动轴(5-7)之间的部分中产生电流，所述电流由于焦耳效应而引发退火；所述直流电压生成器装置(14)包括：第一电压整流器装置(19)，能连接至所述交流电压源(15)以生成中间直流电压(Udc)；有源滤波装置(23)，所述有源滤波装置并联连接至所述第一电压整流器装置(19)的输入端以补偿在所述第一电压整流器装置(19)的输入端处出现的电流谐波；脉宽调制装置(20)，将所述中间直流电压(Udc)变换成具有相同振幅且具有零平均值的第一PWM电压(Uml)；高频变压器(21)，具有大于1的变压比以将所述第一PWM电压(Uml)变换成具有更小的振幅且具有非零平均值的对应的第二PWM电压(Um2)；以及第二电压整流器装置(22)，将调制的所述第二PWM电压(Um2)变换成所述退火电压(Uann)，所述脉宽调制装置(20)包括：供应有所述中间直流电压(Udc)的电子开关装置的H桥(31)；电压测量装置(34)，测量所述退火电压(Uann)；以及第二控制装置(32)，被配置为根据所述金属线(2)、绞合线、线丝、线材或条带的馈送速度(Vw)计算退火电压的期望值(Uref)并且被配置为控制所述电子开关装置的H桥(31)以产生所述第一PWM电压(Uml)并且根据所述退火电压的期望值(Uref)和所述退火电压(Uann)的测量值对所述第一PWM电压进行调制，使得所述退火电压(Uann)的测量值追随所述退火电压的期望值(Uref)。
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