DE102005043611B4

DE102005043611B4 - Induktionshärtungsanlage

Info

Publication number: DE102005043611B4
Application number: DE102005043611.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Andrä; Joachim Smirek
Original assignee: Inductoheat Euope GmbH
Current assignee: Inductoheat Euope GmbH
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2025-09-14
Also published as: EP1763285B1; DE502006000489D1; EP1763285A1; DE102005043611A1

Abstract

Eine Induktionshärtungsanlage zur Wärmebehandlung von elektrisch leitenden Werkstücken (10), mit – einem, hinsichtlich wenigstens einigen seiner Betriebsparameter (U, I, f, P) durch Veränderung variabler Komponenten (Cs, Np) steuerbaren Wechselstromumrichter (12), – wenigstens einer mit dem Wechselstromumrichter (12) elektrisch zu verbindenden Härte-Induktionsspule (14), die eine an die Gestalt wenigstens einer zu behandelnden Stelle der Werkstücke (10) angepasste Form hat, um das Werkstück (10) zumindest an dieser Stelle in einem Härtungsvorgang mittels der Härte-Induktionsspule (14) zu erwärmen, wenn der Wechselstromumrichter (12) die Härte-Induktionsspule (14) mit elektrischer Leistung beschickt und das Werkstück (10) der Härte-Induktionsspule (14) zugeführt ist, – Messeinrichtungen (A1..An), die wenigstens einige der Betriebsparameter des Wechselstromumrichters (12) erfassen, wobei – die Induktionshärtungsanlage dazu eingerichtet ist, sie mit einer elektronischen Rechnereinheit (ECU) zu verbinden, die in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern Vorgaben für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten (Cs, Np) erzeugt und an einer Ausgabeeinrichtung (16) ausgibt, um die Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter (12) im Sinne einer Optimierung der Leistungsaufnahme der Härte-Induktionsspule (14) zu beeinflussen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch zu betreibende Induktionshärtungsanlage. Die Anwendungsbereiche derartiger Anlagen sind weitgestreut von Härteanwendungen über Schweiß- und Sinterprozessen bis hin zu speziellen Einsätzen wie die Erwärmung von Materialien im Vakuum oder unter Schutzgas, welche mit der herkömmlichen Gaserwärmung nicht zu realisieren wären. Die Induktionshärtung ist ein bewährtes Verfahren zur Qualitätssteigerung von Präzisionsteilen aus Stahl, Stahlguss, oder Gusseisen. Dabei wird das zu härtende Werkstück in sehr kurzer Zeit (ggf. Bruchteilen von Sekunden) auf Rotglut gebracht und anschließend sofort wieder abgeschreckt. Als Abschreckmittel werden Wasser, Luft, Öl oder Emulsionen eingesetzt. Bei der Härtung spielt der Kohlenstoffgehalt im Eisen eine wichtige Rolle. Für einen nennenswerte Härte sollte der Kohlenstoffanteil mindestens 0,35% betragen.
Vor allem kompliziert geformte metallische Werkstücke werden lediglich in bestimmten Bereichen durch Induktion auf erforderliche Härtetemperatur gebracht und anschließend abgeschreckt. So entsteht in diesem Bereich, z. B. auf der Laufbahn von Kurvenscheiben, ein harter, verschleißfester Stahl. Das Induktionshärten wird insbesondere automatisiert, das heißt mit Handhabungseinrichtungen zum Be- und Entladen in der Großserienproduktion zum Beispiel zum Härten von Zahnrädern, Nocken- und Kurbelwellen eingesetzt. Die Induktionserwärmung wird auch eingesetzt, um lokale Bereiche eines gehärteten Werkstückes wieder anzulassen.
Bei der induktiven Erwärmung entsteht die Wärme im Werkstück selbst. Grundsätzlich lassen sich mit der induktiven Erwärmung alle elektrisch leitenden Stoffe erwärmen. In der Praxis werden hauptsächlich Metalle und Legierungen aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit induktiv erwärmt.
Ein Induktor baut ein magnetisches Wechselfeld auf, wenn er von Wechselstrom durchflosssen wird. Das zu bearbeitende Werkstück bildet eine kurzgeschlossene Spule. Wenn durch den Induktor ein Wechselstrom fließt, wird in dem Werkstück eine Spannung induziert, welche im Werkstück induzierte Wirbelströme zur Folge hat. Dieser Strom führt zu einer Erwärmung des Materials des Werkstücks. Die Wärme gelangt hier nicht von der Oberfläche her in das Werkstück, sondern sie entsteht in der zu härtenden Schicht. Beim Erwärmen auf Härtetemperatur wechselt die Struktur des Eisengitters von kubisch-raumzentriert zu kubisch-flächenzentriert. Die Kohlenstoffatome diffundieren ins Metallgitter. Durch sehr schnelles Abkühlen (Abschrecken) klappt das Metallgitter wieder zurück, ohne dass die Kohlenstoffatome ihre Position wechseln können. Die Kohlenstoffatome werden im Metallgitter festgehalten. Die dadurch erzielte Verzerrung des Raumgitters macht sich makroskopisch als Härtesteigerung des Materials bemerkbar. Durch diese Gefügeumwandlung lassen sich Härte, Sprödigkeit, Zähigkeit, innere Spannungen u. ä. beeinflussen. Der vorstehende Sachverhalt ist zur besseren Anschaulichkeit in 1a veranschaulicht.
Die Stromeindringtiefe und damit die Härtetiefe ist abhängig von der Betriebsfrequenz der der Induktionsanlage. Sie nimmt mit zunehmender Frequenz aufgrund des sog. Skin-Effektes ab. Je nach erforderlicher Härtetiefe bzw. Stromeindringtiefe wird die Betriebsfrequenz der Induktionsanlage festgelegt. Der Bereich der anwendbaren Frequenzen wird in Niederfrequenz (50 Hz – 500 Hz), Mittelfrequenz (500 Hz – 50 kHz) und Hochfrequenz (50 kHz – 30 MHz) unterteilt. Damit sind Eindringtiefen zwischen 8 mm im Niederfrequenzbereich und etwa bis 0,1 mm im Hochfrequenzbereich zu erzielen. Dieser Sachverhalt ist zur besseren Anschaulichkeit in 1b veranschaulicht. Nicht bei Netzfrequenz arbeitende Induktionsanlagen müssen diese Frequenzen mittels Frequenzwandlern aus der Netzfrequenz erzeugen. Dazu stehen folgende Geräte zur Verfügung: Frequenzvervielfacher (statischer Frequenz-Umformer), Thyristor-Umrichter und Transistor-Umrichter, HF-Transistor-Umrichter und (Röhren-)Hochfrequenzgenerator.
Kernstück jeder Induktionserwärmungsanlage bildet der Frequenzwandler oder Umrichter. Der Umrichter versorgt den Induktor mit der aus der Netzfrequenz umgewandelten Nieder-, Mittel- bzw. Hochfrequenz-Leistung. Der Induktor erwärmt hiermit die in ihn eingebrachten Werkstücke. Halbleiter-Umrichter (Transistor-/Thyristorumrichter) zeichnen sich durch folgende Vorzüge aus: Durch den Einsatz von Halbleiterschaltern entfallen die Probleme der Korossion in den internen Kühlkreisen. Ein Serien-Schwingkreis-Umrichter kann relativ einfach und kostengünstig aufgebaut sein. Die Startbedingungen eines Serien-Schwingkreis-Umrichters sind auch bei schwierigen Anpass-Situationen (des Induktors an den Umrichter) relativ unkritisch. Sein Wirkungsgrad kann auch im Teillastbereich ein relativ hohes Niveau erreichen.
Wesentliche Vorteile der induktiven Erwärmung von Werkstücken sind der hohe Wirkungsgrad, die hohe Wiederholgenauigkeit, die Möglichkeit der punktuellen Erwärmung ohne Peripherie zu erwärmen, flexible Anpassungsmöglichkeiten der Anlage an verschiedenste Werkstücke. Außerdem ist eine schnelle Erwärmung und ein hoher Durchsatz der Werkstücke realisierbar.
Weitere Vorteile sind die gleichmäßige Aufheizung der zu härtenden Stellen sowie die kurzen Erwärmungszeiten und infolgedessen geringe Zunderbildung an den Werkstücken. In vielen Fällen ist keine Nacharbeit erforderlich. Durch die kurzzeitige Erwärmung wird Grobkornbildung durch Überzeiten oder Überhitzen vermieden. Die Wärmezufuhr ist sicher zu beherrschen. Die erforderlichen Temperaturen können einfach erreicht und eingehalten werden. Der Verzug der behandelten Werkstücke ist im allgemeinen gering. Im Vergleich zur Einsatzhärtung können legierte Einsatzstähle durch billige Vergütungsstähle ersetzt werden. Partielle Härtung ist meistens auch noch bei schwierigsten Werkstückformen möglich. Das Aufstellen der Härtemaschinen und Umrichter/Generatoren kann direkt in den Fertigungsstraßen erfolgen. Der Platzbedarf ist gering, die Bedienung im Serienbetrieb ist einfach, die Arbeitswiese ist sauber und nicht gesundheitsgefährdend.
Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
Beim Einrichten einer Induktionshärtungsanlage für eine neue Härtungsaufgabe sind eine Reihe von Parametern zu beachten: Ein Umrichter, dessen Ausgangsleistung mittels Stelleinrichtungen an die neue Situation anzupassen ist, ein spezifisch geformtes Werkstück mit weitgehend unbekannten Materialeigenschaften, ein dementsprechend geformter Induktor mit einem meist unbekannten komplexen Widerstand (R + jωL + 1/jωC), einem Betriebsstrom, mit dem der Induktor zu beschicken ist (insbesondere dessen Strom, Spannung, Frequenz und Leistung), die Verweildauer des Werkstückes im/beim Induktor bzw. die Fördergeschwindigkeit des Werkstückes relativ zum Induktor, sowie die Parameter der Induktorkühlung (Art des Kühlmediums, Temperatur, Volumenstrom, etc.) und der Werkstück-Abschreckbrause (Art des Abschreckmediums, Temperatur, Volumenstrom, etc.), um nur einige zu nennen. Deren Festlegung erfordert viel Erfahrung und detaillierte Kenntnisse des Härtungsprozesses und der eingesetzten Anlage. Diese Erfahrung und Kenntnisse sind oftmals bei den Bedienern der Induktionshärtungsanlage nicht im erforderlichen Maß vorhanden.
Die DE 199 48 843 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des teilflüssigen Gefügezustandes eines Werkstücks beim induktiven Erwärmen. Das Verfahren sieht vor, den Effektivwert I_eff(t) des in eine Induktionsspule eingespeisten Wechselstroms I(t) zu überprüfen und sicherzustellen, dass dieser einen Schwellwert, der einen vorbestimmten Gefügezustand des Werkstücks repräsentiert, nicht unterschreitet. Dazu sind die Parameter Impedanz und Kapazität in dem Schwingkreis eines Umrichters vorher festgelegt. Das Verfahren greift hierzu auf vorbestimmte Schwellwerte zurück, die auf einer empirischen Ermittlung basieren.
Aus der DE 101 43 652 A1 ist ein Verfahren zum Induktionshärten von Werkstücken bekannt, bei dem während der induktiven Erwärmung Betriebsparameter einer Induktionshärtemaschine und Zustandsparameter des zu erwärmenden Werkstücks gemessen und erfasst werden. Das Verfahren ermöglicht komplexe Einflüsse unterschiedlichster Parameter abhängig vom Werkstück und der Maschinenparameter zu erfassen und mittels Reihenversuchen Sollwerte festzulegen.
Aufgabe der Erfindung
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Induktionshärtungsanlage bereitzustellen, die es erlaubt auch ohne spezielle dies Kenntnisse eine Induktionshärtungsanlage für eine neue Härtungsaufgabe zumindest nahezu optimal einzurichten.
Erfindungsgemäße Lösung
Zur Behebung dieser Nachteile lehrt die Erfindung einen Induktionserwärmungsanlage, die durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist.
Aufbau, Weiterbildungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung
Eine Induktionserwärmungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung dient zur Wärmebehandlung von elektrisch leitenden Werkstücken und ist ausgestattet mit einem, hinsichtlich wenigstens einigen seiner Betriebsparameter durch Veränderung variabler Komponenten steuerbaren Wechselstromumrichter, wenigstens einer mit dem Wechselstromumrichter elektrisch zu verbindenden Härte-Induktionsspule, die eine an die Gestalt wenigstens einer zu behandelnden Stelle der Werkstücke angepasste Form hat, um das Werkstück zumindest an dieser Stelle in einem Härtungsvorgang mittels der Härte-Induktionsspule zu erwärmen, wenn der Wechselstromumrichter die Härte-Induktionsspule mit elektrischer Leistung beschickt und das Werkstück der Härte-Induktionsspule zugeführt ist, Messeinrichtungen, die wenigstens einige der Betriebsparameter des Wechselstromumrichters erfassen, wobei die Induktionshärtungsanlage dazu eingerichtet ist, sie mit einer elektronischen Rechnereinheit zu verbinden, die in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern Vorgaben für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten erzeugt und an einer Ausgabeeinrichtung ausgibt, um die Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter im Sinne einer Optimierung der Leistungsaufnahme der Härte-Induktionsspule zu beeinflussen. Damit ist es möglich, ohne spezifisches Wissen und Erfahrung um die Funktionsweise der Induktionshärtungsanlage diese für neue Härtungsaufgaben (also das Festlegen der wesentlichen Betriebsparameter der Induktionshärtungsanlage bei einer neuen Werkstückform mit einer entsprechend gestalteten Härte-Induktionsspule) auszurüsten und einzurichten.
Dabei hat die Erfindung erkannt, dass den Parametern des Betriebsstroms, mit dem der Induktor beschickt wird (Strom, Spannung, Frequenz, und Leistung), besondere Bedeutung im Hinblick auf den Wirkungsgrad und der Leistungsaufnahme der Induktionshärtungsanlage zukommt. Die Festlegung dieser Parameter ist entscheidend dafür, dass Schwingkreisumrichter optimal arbeiten indem sie an ihre Last, also die Härte-Induktionsspule (und das mit ihr bearbeitete Werkstück) angepasst werden. Die Erfindung macht sich dazu die Erkenntnis zunutze, dass anfänglich eine praktisch beliebige Einstellung des Schwingkreisumrichters als Ausgangspunkt verwendet werden kann, um die Betriebsparameter auch bei unbekannten elektrischen Eigenschaften der Härte-Induktionsspule zu verbessern.
Dazu ist die elektronische Rechnereinheit eingerichtet und programmiert, auf ein vorzugsweise vereinfachtes mathematisches Ersatzmodell des Wechselstromumrichters zuzugreifen, das in der elektronischen Rechnereinheit bereitgehalten ist, wobei das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters zumindest den Einfluß von Veränderungen wenigstens einer der variablen Komponenten auf wenigstens einen Betriebsparameter des Wechselstromumrichters zu berücksichtigen eingerichtet ist.
Insbesondere kann die elektronische Rechnereinheit dazu eingerichtet und programmiert sein, das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters mit einem beliebigen Vorgaben-Satz für die wenigstens eine der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters und einem Startwerte-Satz der Betriebsparameter durchzurechnen, wobei der Startwerte-Satz der Betriebsparameter aus einem ersten Härtungsvorgang resultiert, um einen neuen Vorgaben-Satz für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters im Sinne einer Verbesserung der Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter auszugeben.
Weiterhin kann die elektronische Rechnereinheit dazu eingerichtet und programmiert sein, das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters mit einem verbesserten Vorgaben-Satz für die wenigstens eine der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters und einem Messwerte-Satz der Betriebsparameter durchzurechnen, wobei der Messwerte-Satz der Betriebsparameter aus einem weiteren Härtungsvorgang resultiert, um einen neuen Vorgaben-Satz für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters im Sinne einer weiteren Verbesserung der Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter auszugeben.
Schließlich kann die elektronische Rechnereinheit dazu eingerichtet und programmiert sein, das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters nicht weiter durchzurechnen, wenn keine relevante Änderung des Vorgaben-Satzes für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters auftritt.
Erfindungsgemäß kann die variable Komponente des Wechselstromumrichters ein Schwingkreiskondensator eines Schwingkreises, eine Schwingkreisinduktivität eines Schwingkreises oder ein Übersetzungsverhältnis eines die Schwingkreisinduktivität enthaltenden Ausgangstransformators, die Amplitude der Speisespannung einer Halbleiterbrückenanordnung, oder eine Schaltfrequenz der Halbleiterbrückenanordnung sein.
Dabei kann bei der erfindungsgemäßen Induktionshärtungsanlage die variable Komponente des Wechselstromumrichters in diskreten Stufen oder stufenlos zu verändern sein.
Der Wechselstromumrichter kann in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ein von einer Brückenschaltung gespeister LC-Serienschwingkreis mit transformatorischer Leistungsauskopplung sein, wobei der Schwingkreiskondensator und/oder das Übersetzungsverhältnis eines die Schwingkreisinduktivität enthaltenden Ausgangstransformators in diskreten Stufen oder stufenlos zu verändern ist. Der Wechselstromumrichter kann aber auch ein Parallelschwingkreis sein oder auf einem andere elektrischen Schaltungs-/Funktionsprinzip basieren. Wesentlich ist nur, dass es möglich ist, davon ein mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters erstellt werden kann, das als Grundlage für die Berechnung eines verbesserten Vorgaben-Satzes für die wenigstens eine der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters basierend auf einem Messwerte-Satz der Betriebsparameter dienen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Induktionshärtungsanlage ist der Wechselstromumrichter in oder nahezu in Resonanz des Schwingkreises zu betreiben. Dabei hängt die Schwankung der Betriebsfrequenz um den Resonanzpunkt zum einen von dem Prinzip des Wechselstromumrichter ab und zum anderen davon, ob die Leistungsregelung durch gezieltes Verstimmen des Wechselstromumrichter aus dem Resonanzpunkt erfolgt.
Erfindungsgemäß kann der Wechselstromumrichter auch so zu betreiben sein, dass die der Härte-Induktionsspule zugeführte Wechselspannung und der der Härte-Induktionsspule zugeführte Wechselstrom einen Phasenwinkel φ ≠ 0 zueinander haben.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden anhand der nachstehenden Beschreibung erläutert, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
In 1a ist das Prinzip einer erfindungsgemäßen Induktionshärtungsanlage schematisch veranschaulicht.
In 1b ist die Abhängigkeit der Stromeindringtiefe/Härtetiefe von der Betriebsfrequenz der Induktionsanlage aufgrund des sog. Skin-Effektes schematisch veranschaulicht.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Induktionshärtungsanlage als schematisches Blockschaltbild veranschaulicht.
In 2a ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild eines Wechselstromumrichter mit einem von einer Transistorvollbrückenschaltung gespeisten LC-Serienschwingkreis mit transformatorischer Leistungsauskopplung sein.
In 2b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des Wechselstromumrichters aus 2a und dessen vereinfachtes mathematisches Ersatzmodell.
Detaillierte Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen
In 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß Induktionshärtungsanlage schematisch veranschaulicht, wobei nur die Komponenten dargestellt und hier auch beschrieben sind, welche für das Verständnis der Erfindung erforderlich sind.
Die Induktionshärtungsanlage dient zur Wärmebehandlung von elektrisch leitenden Werkstücken 10. Die Anlage hat einen Wechselstromumrichter 12, der in dieser Ausführungsform hinsichtlich seiner Betriebsparameter Ausgangsspannung U, Ausgangsstrom I, Frequenz der Ausgangsspannung f, Ausgangs(wirk)leistung P durch Veränderung zweier variabler Komponenten steuerbar ist. Wie dies erfolgt, ist weiter unten im Detail erläutert.
Der Wechselstromumrichter 12 ist elektrisch mit einer Härte-Induktionsspule 14 verbunden. Diese hat eine an die Gestalt des zu behandelnden Werkstücks 10 angepasste Form, um das Werkstück 10 in einem Härtungsvorgang zu erwärmen. Dazu beschickt der Wechselstromumrichter 12 die Härte-Induktionsspule 14 mit elektrischer Leistung wenn/während das Werkstück 10 der Härte-Induktionsspule 14 zugeführt ist/wird.
Dem Wechselstromumrichter 12 sind mehrere Messeinrichtungen A1..An in Form von Spannungs-, Strom-, Frequenzaufnehmern oder dergl. zugeordnet, um relevante Betriebsparameter des Wechselstromumrichters 12 erfassen und ggf. in ein weiterverarbeitbares Format/Datensignal umzusetzen.
Schließlich ist die Induktionshärtungsanlage mit einer elektronischen Rechnereinheit ECU verbunden. Diese erzeugt in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern Vorgaben für die Veränderung einer der variablen Komponenten Cs, Np und gibt diese an einer Ausgabeeinrichtung 16 aus, um die Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichters 12 im Sinne einer Optimierung der Leistungsaufnahme der Härte-Induktionsspule 14 zu beeinflussen.
Dies wird in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, das die elektronische Rechnereinheit ECU dazu eingerichtet und programmiert ist, auf ein vereinfachtes mathematisches Ersatzmodell des Wechselstromumrichters 12 zuzugreifen. Dieses Ersatzmodell ist in der elektronischen Rechnereinheit ECU bereitgehalten und ist ausgehend von der tatsächlichen Schaltung und Funktionsweise des Wechselstromumrichters 12 so modelliert, dass es den Einfluß von Veränderungen wenigstens einer der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters 12 auf wenigstens einen Betriebsparameter des Wechselstromumrichters 12 zu berücksichtigen eingerichtet ist. Dabei ist mit anderen Worten das Ersatzmodell in der Lage zu ermitteln, wie sich der Wechselstromumrichter 12 mit angeschlossener Härte-Induktionsspule 14 im Betrieb beim Härten eines Werkstückes 10 verhält, ohne dass im Einzelnen die Daten der Härte-Induktionsspule 14 (oder des Wechselstromumrichter 12) bekannt sein müßten.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die die Induktionshärtungsanlage einen Wechselstromumrichter 12 mit einem von einer Transistor-Vollbrückenanordnung T1..T4 gespeister LC-Serienschwingkreis mit transformatorischer Leistungsauskopplung. Der primäre Schwingkreiskondensator Cp und das Übersetzungsverhältnis Np/Ns eines die Schwingkreisinduktivität Lp enthaltenden Ausgangstransformators T ist dabei in diskreten Stufen zu verändern. Die Transistoren T1..T4 können sog. FETen (Feld Efekt Transisor) sein, deren Serienwiderstand im eingeschalteten Zustand mit R_DSON bezeichnet ist. Die (komplexen) Leitungswiderstände, welche insbesondere auf der Sekundärseite nennenswert sein können, finden als Rz, Lz Berücksichtigung (siehe 2a).
Grundsätzlich sind folgende Komponenten des Wechselstromumrichters variabel gestaltbar:

• ein Schwingkreiskondensator Cp, Cs des Schwingkreises,
• eine Schwingkreisinduktivität Lp, Ls eines Schwingkreises oder
• ein Übersetzungsverhältnis Np/Ns eines Ausgangstransformators T,
• die Amplitude der Speisespannung einer Halbleiterbrückenanordnung T1..T4, oder
• eine Schaltfrequenz der Halbleiterbrückenanordnung T1..T4.

Anstatt die variable(n) Komponente(n) des Wechselstromumrichters in diskreten Stufen zu verändern, kann dies auch stufenlos möglich sein. Im vorliegenden Beispiel ist der Wechselstromumrichter zumindest nahezu in Resonanz des Schwingkreises zu betreiben. In diesem Fall gilt, dass die Betriebsfrequenz ω = ω_res = 2·pi·f = 1/(L'·C')^½2 ist.
Nachstehend ist erläutert, wie die elektronische Rechnereinheit ECU in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern Vorgaben für die Veränderung einer der variablen Komponenten Cs, Np ermittelt um die Leistungsabgabe des Wechselstromumrichters zu optimieren.

(A) Dazu ist die elektronische Rechnereinheit ECU mit einer Computer-Softwareprogramm-Komponente ausgestattet, die das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters 12 mit einem beliebigen Vorgaben-Satz aus einem für die variablen Komponenten des Wechselstromumrichters gültigen Wertebereich und einem Startwerte-Satz der Betriebsparameter durchrechnet. Dabei stammt der Startwerte-Satz der Betriebsparameter aus den Messeinrichtungen A1..An in Form von Spannungs-, Strom-, Frequenzwerten während eines ersten Härtungsvorganges und dient dazu, einen neuen Vorgaben-Satz für die Veränderung einer der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters im Sinne einer Verbesserung der Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter auszugeben.
(B) Dieser neue, verbesserte Vorgaben-Satz wird dem Wechselstromumrichter zugeführt, indem seine variablen Komponenten entsprechend gestellt werden. Anschließend wird ein neuer Härtungsvorgang durchgeführt und die dabei erhaltenen Betriebsparameter aus den Messeinrichtungen A1..An in Form von Spannungs-, Strom-, Frequenzwerten erfaßt. Mit diesem erhaltenen Messwerte-Satz der Betriebsparameter wird das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters erneut durchgerechnet, um einen neuen Vorgaben-Satz für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters im Sinne einer weiteren Verbesserung der Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichters auszugeben.

Dieser vorstehend beschriebene. Vorgang (B) wird so oft wiederholt, bis keine relevante Änderung des Vorgaben-Satzes für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten des Wechselstromumrichters auftritt.
Nachstehend wird anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels die Funktionsweise der Erfindung weiter verdeutlicht:
Ein Wechselstromumrichter hat eine vereinfachte Schaltung wie in 2a, 2b gezeigt und hat außerdem folgende Basisdaten:

• P_max: 90 kWatt
• U_max: 300 Volt
• I_max: 450 Ampère

Die variablen Komponenten des Wechselstromumrichters sind das Übersetzungsverhältnis Np/Ns des Transformators T mit einem Wertebereich von 4/1, 6/1, 8/1, 10/1, 13/1 und 16/1 als möglichen Einstellungen sowie der Sekundärkondensator Cs des Schwingkreises mit einem Wertebereich von 8...51·0,33 microFarad als möglichen Einstellungen.
Die Schwingkreisgüte Q ergibt sich zu Q = ω_res·L'/R' = (L'/C')^½2·1/R'
Zuerst werden die variablen Komponenten des Wechselstromumrichters auf die (beliebigen Vorgabenwerte (Np/Ns)_ist := 4/1 und Cs_ist := 30·0,33 microFarad gesetzt. Dann wird ein erster Härtungsvorgang ausgeführt. Hierbei wird ein Startwerte-Satz der Betriebsparameter aus den Messeinrichtungen A1..An in Form von Spannungs- und Stromwerten ermittelt. Im Beispiel wurde U_ist: 75 Volt und I_ist: 450 Ampère ermittelt. Dieser Startwerte-Satz dient als Eingangsgröße für das mathematische Ersatzmodell, bei dem das optimale Übersetzungsverhältnis (Np/Ns)_opt des Transformators T sich ergibt zu (Np/Ns)_opt = (Np/Ns)_ist·(I_ist/U_ist·I_max/U_max)^½ Mit den vorliegenden Daten wird ein (Np/Ns)_opt = 8 bestimmt.
Dieser neue Wert wird (bei unverändertem Sekundärkondensator Cs) dem Wechselstromumrichter zugeführt, in dem automatisch oder manuell das Übersetzungsverhältnis Np/Ns des Transformators T auf 8/1 gestellt wird.
Mit diesen Werten wird ein neuer Härtungsvorgang gestartet und erneut ein Startwerte-Satz der Betriebsparameter aus den Messeinrichtungen A1..An in Form von Spannungs- und Stromwerten ermittelt. Im Beispiel wurde U_ist: 140 Volt und I_ist: 306 Ampère ermittelt. Dieser Startwerte-Satz dient wieder als Eingangsgröße für das mathematische Ersatzmodell. Mit den vorliegenden Daten wird das optimale Übersetzungsverhältnis (Np/Ns)_opt des Transformators T von 9,32 (= ungefähr 10) ermittelt.
Dieser neue Wert T = 10 wird (bei unverändertem Sekundärkondensator Cs) dem Wechselstromumrichter zugeführt, in dem automatisch oder manuell das Übersetzungsverhältnis Np/Ns des Transformators T auf 10/1 gestellt wird.
Mit diesen Werten wird ein neuer Härtungsvorgang gestartet und erneut ein Startwerte-Satz der Betriebsparameter aus den Messeinrichtungen A1..An in Form von Spannungs- und Stromwerten ermittelt. Im Beispiel wurde U_ist: 185 Volt und I_ist: 243 Ampère ermittelt. Dieser Startwerte-Satz dient wieder als Eingangsgröße für das mathematische Ersatzmodell. Mit de vorliegenden Daten wird das optimale Übersetzungsverhältnis (Np/Ns)_opt des Transformators T von 9,35 ermittelt.
Da sich an der Einstellung des Übersetzungsverhältnisses (Np/Ns) des Transformators T von 10/1 nichts ändert, ist dies auch keine relevante Änderung des Vorgaben-Satzes für die Veränderung des Übersetzungsverhältnis (Np/Ns)_opt des Transformators T des Wechselstromumrichters. Mithin ist die Einstellung der variablen Komponenten im Sinne einer optimalen (= maximalen) Leistungsabgabe des Wechselstromumrichters erreicht.
Sofern eine Änderung der Frequenz des Wechselstromumrichters angestrebt wird um zum Beispiel die Härtetiefe für das Werkstück zu variieren, kann dies durch die Veränderung des Kondensators C' erfolgen, wobei auch hierzu die elektronische Rechnereinheit ECU mit einer Computer-Softwareprogramm-Komponente ausgestattet ist, die das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters 12 mit einem beliebigen Vorgaben-Satz aus einem für die variablen Komponenten des Wechselstromumrichters gültigen Wertebereich und einem Startwerte-Satz der Betriebsparameter durchrechnet. Hierbei werden die für das mathematische Ersatzmodell geltenden Beziehungen verwendet: f_neu = f_ist·/C_ist/C_neu)^½
Es versteht sich weiterhin, dass die vorstehenden Beziehungen, welche explizit für Serienschwingkreis-Umrichter gelten, entsprechend auch für Parallelschwingkreis-Umrichter abgewandelt werden können und dann in der die elektronische Rechnereinheit ECU als Computer-Softwareprogramm-Komponente eingesetzt werden können.

Claims

Eine Induktionshärtungsanlage zur Wärmebehandlung von elektrisch leitenden Werkstücken (10), mit – einem, hinsichtlich wenigstens einigen seiner Betriebsparameter (U, I, f, P) durch Veränderung variabler Komponenten (Cs, Np) steuerbaren Wechselstromumrichter (12), – wenigstens einer mit dem Wechselstromumrichter (12) elektrisch zu verbindenden Härte-Induktionsspule (14), die eine an die Gestalt wenigstens einer zu behandelnden Stelle der Werkstücke (10) angepasste Form hat, um das Werkstück (10) zumindest an dieser Stelle in einem Härtungsvorgang mittels der Härte-Induktionsspule (14) zu erwärmen, wenn der Wechselstromumrichter (12) die Härte-Induktionsspule (14) mit elektrischer Leistung beschickt und das Werkstück (10) der Härte-Induktionsspule (14) zugeführt ist, – Messeinrichtungen (A1..An), die wenigstens einige der Betriebsparameter des Wechselstromumrichters (12) erfassen, wobei – die Induktionshärtungsanlage dazu eingerichtet ist, sie mit einer elektronischen Rechnereinheit (ECU) zu verbinden, die in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern Vorgaben für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten (Cs, Np) erzeugt und an einer Ausgabeeinrichtung (16) ausgibt, um die Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter (12) im Sinne einer Optimierung der Leistungsaufnahme der Härte-Induktionsspule (14) zu beeinflussen.
Die Induktionshärtungsanlage nach Anspruch 1, bei der die elektronische Rechnereinheit (ECU) dazu eingerichtet und programmiert ist, auf ein vorzugsweise vereinfachtes mathematisches Ersatzmodell des Wechselstromumrichters (12) zuzugreifen, das in der elektronischen Rechnereinheit (ECU) bereitgehalten ist, wobei das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters (12) zumindest den Einfluß von Veränderungen wenigstens einer der variablen Komponenten (Cs, Np) auf wenigstens einen Betriebsparameter des Wechselstromumrichters (12) zu berücksichtigen eingerichtet ist.
Die Induktionshärtungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der die elektronische Rechnereinheit (ECU) dazu eingerichtet und programmiert ist, das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters (12) mit einem beliebigen Vorgaben-Satz für die wenigstens eine der variablen Komponenten (Cs, Np) des Wechselstromumrichters (12) und einem Startwerte-Satz der Betriebsparameter durchzurechnen, wobei der Startwerte-Satz der Betriebsparameter aus einem ersten Härtungsvorgang resultiert, um einen neuen Vorgaben-Satz für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten (Cs, Np) des Wechselstromumrichters (12) im Sinne einer Verbesserung der Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter (12) auszugeben.
Die Induktionshärtungsanlage nach Anspruch 3, bei der – die elektronische Rechnereinheit (ECU) dazu eingerichtet und programmiert ist, das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters (12) mit einem verbesserten Vorgaben-Satz für die wenigstens eine der variablen Komponenten (Cs, Np) des Wechselstromumrichters (12) und einem Messwerte-Satz der Betriebsparameter durchzurechnen, wobei der Messwerte-Satz der Betriebsparameter aus einem weiteren Härtungsvorgang resultiert, um einen neuen Vorgaben-Satz für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten (Cs, Np) des Wechselstromumrichters (12) im Sinne einer weiteren Verbesserung der Leistungsabgabe des steuerbaren Wechselstromumrichter (12) auszugeben.
Die Induktionshärtungsanlage nach Anspruch 3 oder 4, bei der – die elektronische Rechnereinheit (ECU) dazu eingerichtet und programmiert ist, das mathematische Ersatzmodell des Wechselstromumrichters (12) nicht weiter durchzurechnen, wenn keine relevante Änderung des Vorgaben-Satzes für die Veränderung wenigstens einer der variablen Komponenten (Cs, Np/Ns) des Wechselstromumrichters (12) auftritt.
Die Induktionshärtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die variable Komponente des Wechselstromumrichters (12) – ein Schwingkreiskondensator (Cs) eines Schwingkreises, – eine Schwingkreisinduktivität (Lp, Ls) eines Schwingkreises oder – ein Übersetzungsverhältnis (Np/Ns) eines die Schwingkreisinduktivität enthaltenden Ausgangstransformators (T), – die Amplitude der Speisespannung einer Halbleiterbrückenanordnung (T1..T4), oder – eine Schaltfrequenz der Halbleiterbrückenanordnung (T1..T4) ist.
Die Induktionshärtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die variable Komponente (Cs, Np/Ns) des Wechselstromumrichters (12) in diskreten Stufen oder stufenlos zu verändern ist.
Die Induktionshärtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wechselstromumrichter (12) ein von einer Brückenschaltung gespeister LC-Serienschwingkreis mit transformatorischer Leistungsauskopplung ist, wobei der Schwingkreiskondensator und/oder das Übersetzungsverhältnis eines die Schwingkreisinduktivität enthaltenden Ausgangstransformators in diskreten Stufen oder stufenlos zu verändern ist.
Die Induktionshärtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wechselstromumrichter (12) in oder nahezu in Resonanz des Schwingkreises zu betreiben ist.
Die Induktionshärtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wechselstromumrichter (12) so zu betreiben ist, dass die der Härte-Induktionsspule (14) zugeführte Wechselspannung und der der Härte-Induktionsspule (14) zugeführte Wechselstrom einen Phasenwinkel (φ ≠ 0) zueinander haben.