DE3326162C2 - Elektrische Speiseeinheit für eine mit Hochgeschwindigkeit arbeitende Kurzstreckenanlage für das Weichglühen von Drähten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Speiseeinheit für eine mit Hochgeschwindigkeit arbeitende, mit einer Kurzstrecke ausgestalteten Anlage für das Weichglühen von Metalldrähten durch elektrischen Kontakt dem Ziehverfahren folgend, bei der der Draht zwischen Kontaktrollen durch die Erweicherungszone der Anlage geführt wird und die Kontaktrollen mit dem Ausgang eines Gleichrichters verbunden sind. Das Wesentliche der Erfindung liegt darin, daß der Ausgang des Gleichrichters (2) über einen Chopper (3) mit den Kontaktrollen (42, 43) verbunden ist, des weiteren der eine Eingang eines Impulsbreitenmodulators (6) mit dem Ausgang eines Impulsgenerators (5), der andere Eingang mit dem Ausgang eines Reglers (10) verbunden ist. An den einen Eingang des Reglers (10) ist der Ausgang einer den Sollwert erzeugenden Einheit (9) an den anderen Eingang der Ausgang einer den Istwert erzeugenden Einheit (12) angeschlossen; des weiteren ist der Eingang der den Istwert erzeugenden Einheit (12) mit dem Ausgang des Choppers (3) verbunden und der Ausgang des Impulsbreitenmodulators (6) über einen Potentialtrenner (7) und eine Antriebseinheit (8) an den Steuereingang des Choppers (3) angeschlossen. samtleistung entspricht, während die zweite Feuerungsanlage die restlichen 15%

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Speiseeinheit für eine mit Hochgeschwindigkeit arbeitende mit einer Kurzstrecke ausgestaltete Anlage für das Weichglühen von Drähten durch elektrischen Kontakt während des Ziehens der Metalldrähte zwischen Kontaktrollen durch eine Erweichungszone der Anlage, wobei die Anlage eine den mit der Geschwindigkeit des Drahtes proportionalen Istwert erzeugende Einheit, sowie mit diesen Einheiten verbundenen Regler aufweist.

Die durch Feinziehmaschinen hergestellten Metalldrähte (aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Stahl, usw.) erhärten sich während des Zieharbeitsgangs. Daher müssen diese vor ihrer weiteren Verwendung weichgeglüht werden. Das Weichglühen kann in einem Ofen durchgeführt werden oder durch elektrischen Slromdurchfluß vorgenommen werden. Das in dem Ofen vor sich gehende Weichglühen isl mit einer Trennung des technologischen Prozesses verbunden und benötigt viel Zeit.

In mit elektrischem Kontakt arbeitenden Anlagen wird der Draht durch elektrischen Strom auf Wirkung des Joule-Effekts zum Glühen gebracht (Garamvölgyi Tivadar: Konstruktions- und technologische Kenntnisse über drahtherstellende Maschinen, Miskolc, 1975, S. 44—52). Der Strom, der durch die Kontaktrollen übertragen wird und die Geschwindigkeit »v« des Drahtes wird von der an die Kontaktroüen angelegten Spannung und den Charakteristiken des Drahtes (Querschnitt, spezifische Leitfähigkeit) bestimmt.

Der in dem Draht fließende Strom muß in dem gesamten Geschwindigkeitsbereich (0—50 nw's) den Draht auf die gewünschte Temperatur erhitzen können. Demnach muß die Weichglühspannung Ul gegenüber der Geschwindigkeit » V« nach der Quadratwurzelfunktion geändert werden (Sonderdruck »Draht« 1969/6, 390—395). Aufgrund der Bestimmungen für den Berührungsschutz darf die Spannung der Anlage für das !5 Weichglühen des Drahtes — ohne eine äußere Schutzhaube — höchstens bis 65 V betragen. Bei Feinziehmaschinen, bei denen der Durchmesser des hergestellten Drahtes klein ist oder der spezifische Widerstand hoch ist (z. B. Ni), um die erforderliche Intensität bei dem in Draht fließenden Strom erreichen zu können, — da die Spannung höchstens 55 V betragen kann — ist entweder der Abstand zwischen den Kontaktrollen klein, oder die Weichglühstrecke kurz.

Um ein gleichmäßiges Weichglühen erreichen zu können, wäre die Anwendung einer in dem gesamten Geschwindigkeitsbereich regelbaren Speiseeinheit mit einer Gleichspannung von kleiner Welligkeit die zweckmäßigste Lösung. Leider kann diese aber wegen der auftretenden hohen Verluste in der Praxis nicht realisiert werden.

Gegenwärtig werden dreiphasige, vollweg-gesteuerte Gleichrichter mit thyristorisierter Bückenschaltung bis zu einer Zonenlänge von 700 mm — oder noch länger — für das kontinuierliche Weichglühen mit hoher Geschwindigkeit (30—50 m/s) für Drähte mit einem Durchmesser von 0,1 mm (und größer) verwendet.

Wie bekannt, kann die Ausgangsgleichspannung der Thyristor-Gleichrichter durch Phasenschnittsteuerung der Thyristoren geregelt werden: die Kommutierung wird vom Netz »geführt«. Dementsprechend isl die Wclligkeit der Spannung ziemlich groß und ändert sich mit der Geschwindigkeit des Drahtes. Bei niedrigen Drahtgeschwindigkeiten oder bei langen Glühzonen befriedigt noch eine derartige Speiseeinheit die Forderungen, da der Draht ausreichend lange in der Weichglühstrecke verweilt.

Es sei darauf hingewiesen, daß beim Weichglühen durch elektrischen Strom, sich aus dem rein ohmischen Charakter der Belastung ergebend, die Form des Stromsignals immer der Signalform der Weichglühspannung folgt. Bei einer kurzen Streckenlänge unter 700 mm, bei einer hohen Drahtgeschwindigkeit von mindestens 30m/sec nähen sich die Durchfahrtzeit des Drahtes durch die Weichglühstrecke der Periodenzeit der Spannungswellen des Thyristor-Gleichrichters, der Draht ist nicht imstande den Strom aus dem Standpunkt der Wärmeeinwirkung zu mitteln. Diese Erscheinung führt zu einer ungleichmäßigen (welligen) Erweichung des Drahtes. Daher ist der Thyristor-Gleichrichter nicht zum ho Weichglühen in mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Anlagen mit einer kurzen Strecke geeignet (Snnilcrdruck »Draht« I%4/6.S. J9J).

Ein Toroidspannungsregler — mit dem Gleichrichter kombiniert — wird bei einer Minimallänge von 550 mm b5 oder bei einer noch längeren Strecke verwendet. In diesem Fall ist die Welligkeit der Spannung konstant (dreiphasige Sechstakt-Gleichrichtung), die Spannungsgröße kann durch Servoschrittregelung des Toroidtransfor-

mators eingestellt werden. Bei dieser Lösung ist während der Regelung mit den Servomotor die Totzeit recht lang und die Hysterese groß, infolge der häufigen Umschaltung unter Belastung (Strom) brennen die Bürsten des Toroids und die kurzgeschlossenen Windungen oft aus, die Regelung ist ungenau und infolge der sich bewegenden Bestandteile ist die Möglichkeit eines Schadhaftwerdens sehr wahrscheinlich.

Aus der DE-FS 12 65 183 ist ein Verfahren zur Regelung der Heizleistung einer Draht- oder Bandglühanlage bekannt, wobei ein elektrisches Stellglied zur Anwendung gelangt, um in Abhängigkeit von der Drahtbzw. Bandgeschwindigkeit die Heizleistung zu regeln. Bei der Anordnung zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens wird als Stellgröße für den Regelkreis der Zündwinkel von gesteuerten Ventilen eines elektronischen Stellgliedes verwendet. Dem Regler wird nur eine einzige elektrische Größe des Heizstromkreises als Istwert und eine der Draht- oder Bandgeschwindigkeit proportionale Größe als Sollwert vorgegeben. Die Regelabweichung wird mit einer Korrektur zur Berücksichtigung des Unterschiedes zwischen Mittelwert und Effektivwert der elektrischen Größen versehen. Als Istwert wird der Mittelwert der Heizspannung gewählt und eine der Draht- oder Bandgeschwindigkeit proportionale Größe wird so korrigiert daß sie als Ausgangsspannung und Sollwert der Quadratwurzel der Drahtoder Bandgeschwindigkeit proportional ist

Der bekannten Anordnung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine direkte Regelung der zugeführten Heizleistung mit Hilfe eines elektronischen Stellgliedes möglich ist wobei die Stellgröße im Regelkreis derart verändert wird, daß sich der Effektivwert der gesteuerten Leistung proportional zur Drahtgeschwindigkeit ändert. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß bei einem Wechsel- oder Drehstromsteller der Effektivwert und der Mittelwert der Spannung in einem festen Verhältnis zueinander stehen, obwohl diese Werte mit dem Zündwinkel variieren. Jedoch ist auch diese bekannte Anlage nicht für kurze Weichglühstrecken geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Speiseeinheit der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß trotz einer kurzen Weichglühstrecke eine vergleichsweise sehr hohe Durchsatzgeschwindigkeit des zu glühenden Drahtes ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der elektrischen Speiseeinheit der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein glfichgerichteter Drehstrom mittels eines Choppers in einen getakteten Gleichstrom mit einer Arbeitsfrequenz einer Periodendauer sehr "iel kleiner als dis Durchlaufzeit des Drahtes durch dis Erweichungszone umgeformt wird, wobei die an den Kontaktrollen anliegende Effektivspannung durch Änderung de, Tastenverhältnisses des getakteten Gleichstroms des Choppers mittels eines über einen Potentialtrenner an den Chopper gekoppelten Impulsbreitenmodulators, der mit seinem einen Eingang mit einem Impulsgenerator, mit seinem anderen Eingang mit dem Ausgang des Reglers verbunden ist, in Abhängigkeit von der Drahtgesehwindigkeit geregelt wird.

Die erfindungsgemäß ausgestaltete elektrische Speiseeinheit kann besonders vorteilhaft zum Weichglühen von Feindrähten in mit kurzer Weichglühstrecke ausgestatteten Hochgeschwindigkeitsanlagen verwendet werden. Es hat sich ferner gezeigt, daß die mit Hilfe der clckrischen Speiseeinhe^;! nach der Erfindung hergestellten Drähte sehr günstige Eigenschaften aufweisen. Die Arbeitsfrequenz der Anlage kann beispielsweise vorteilhaft im Bereich zwischen 0,5 und Z5 kHz liegen und es läßt sich dabei auch ein Weichglühen mit sehr hoher Geschwindigkeit bei einer Streckenlänge unter 500 mm erreichen. Beispielsweise wird ein Weichglühen bei eine Frequenz von I kHz und bei einer Streckenlänge von 250 mm mit einer Durchsatzgeschwindigkeit von 50 m/s möglich, da die Laufzeit 5 m/sec und die Impulswiederholzeit 1 m/sec beträgt. Auch enthält die elektrische Speiseeinheit nach der vorliegenden Erfindung kei-

to ne beweglichen Bauelemente, läßt sich vergleichsweise preisgünstig herstellen und auch der Raumbedarf der Speiseeinheit ist vergleichsweise gering. Darüber hinaus führt die elektrische Speiseeinheit nach der Erfindung zu einem geringen Energieverbrauch und besitzt einen guten Wirkungsgrad. Schließlich ist die elektrische Speiseeinheit nach der Erfindung auch gegenüber Schwankungen der Netzspannung und gegenüber Schwankungen der Frequenz unempfindlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ua-cransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. la die Ausgangsspannung des Impulsgenerators und zwei Vergleichspegel,

Fi g. Ib und Ic die Ausgangsspannung des Choppers bei zwei Vergleichspegeln,
F i g. 2 ein Blockschaltbild der Speiseeinheit,
Fig. 3 A-F Signal verlaufe an den in Fig. 2 bezeichneten Punkten der Speiseeinheit.

Bei der Speiseeinheit nach F i g. 2 ist der Eingang eines Gleichrichters 2 mit einem auf die Phasen R, S, T geschalteten Transformator 1 verbunden, während der Ausgang über einen Hochle;stungschopper 3 mit Kontaktrollen 42,43 verbunden ist, zwischen denen ein sich mit einer Geschwindigkeit ν bewegender Draht 41 durch die Erweichungszone 4 geführt wird.

An den einen Eingang eines Impulsbreitenmoduiutors 6 ist ein Impulsgeneator 5 angeschlossen, während an den anderen Eingang der Ausgang eines Reglers 10 angeschlossen ist. An den einen Eingang des Reglers 10 ist eine den Sollwert erzeugende Einheit 9, an den anderen Eingang der Ausgang einer den Istwert erzeugenden Einheit 12 angeschlossen; der Eingang de^r Einheit 12 ist mit dem Ausgang des Choppers 3 verbunden. Der Ausgang des Impulsbreitenmodulators 6 ist über einen Potentialtrenner 7 und eine Antriebseinheit 8 an den Steuereingang des Choppers 3 angeschlossen. Der Ausgang des Choppers 3 ist mit dem Eingang eines Schutz-Stromkreises 11 verbunden, dessen Ausgang mit der Antriebseinheit 8 verbunden ist.

Die Wirkungsweise der transistorisierten, zur Weichgluhung dienenden Speiseeinheit ist wie folgt:
Vom Standpunkt der in dem Draht 41 entstehenden Wärmewirkung ist der Effektivwert der an cien Kontaktrollen 42,43 erscheinenden Spannung L'urr maßgebend (Fig. Ib und Ic). Die Spannung an den Kontaktrollen 42 und 43 vird durch die Änderung der Ausschaltdauer tk und der Einschaltdauer tb der im Schaltbetrieb arbeitenden, transistorisierten Leistungseinheit geregelt, wobei die Arbeitsfrequenz auf einem konstanten Wert gehalten wird:

Die Arbeitsfrequenz der in dem Impulsgenerator 5 erzeugten Sägezahnspannung (Fig. la) kann im Ein-

klang mit der Länge der Zone 4 gewählt werden und kann vorteilhaft zwischen 0,5—2,5 kHz eingestellt werden. Der Grund dafür, daß eine verhältnismäßig »hohe« Frequenz gewählt worden ist, besteht darin, daß die Periodendauer des transistorisierten Choppers 3 — mit der Durchlaufzeit des Drahtes durch die Erweichungszone 4 verglichen, um eine Größenordnung kürzer ist. Auf diese Weise erhält der Draht 41 auch bei einer hohen Draht-Geschwindigkeit Impulse in ausreichender Zahl, die durch den Draht mit höchster Sicherheit gemittelt werden, wodurch das Weichglühen gleichmäßig erfolgt.

Der Effektivwert der Erweichungsspannung wird in dem gesamten Geschwindigkeitsbereich (0—50 m/s) kontinuierlich geregelt, und zwar einer Quadratwurzelfunktion entsprehend. Fig. la zeigt zwei Vergleichspegel Uk \ und Uk 1, Fig. Ib und Ic zeigen die effektiven Werte Ulm sowie die dem Vergleichspegel entsprechenden Signaiveriäufe.

Es liegt auf der Hand, daß während der Einschaltungszeit t_D immer eine Gleichspannung Ud auf die Kontaktrollen 42, 43 gelangt: dies ist als vorteilhaft zu betrachten, da die auf der Drahtfläche vorhandenen Verunreinigungen, Oxidation, Sulfide oder Schmiermittelreste die Spannung bei einem solchen Spannungspegel mit voller Sicherheit übertragen.

Das mit einer verhältnismäßig »hohen« Frequenz stattfindende Ein- und Ausschalten der Spannung, d. h. die Funktion im Schaltbetrieb weist technologisch den Vorteil auf, daß ulfht einmal bei der Lockerung oder beim Aufwerfen des Drahtes 41 an den Kontaktrollen 42,43 ein elektrischer Licht-Bogen auftreten kann. Sollte ein Lichtbogen trotzdem einmal auftreten, hört er binnen kurzem (max. I ms) auf. Auf diese Weise ist die Neigung zur Entstehung von Einbrennspuren auf der js Fläche der Kontaktrollen 42, 43 und des Drahtes 41 — mit den früheren Lösungen verbuche" — viel "erin^sr.

Die Wirkungsweise wird anhand der F i g. 2 näher erläutert. Die charakteristischen, an den in F i g. 2 mit Buchstaben bezeichneten Stellen meßbaren Spannungsformen sind in F i g. 3 A — F dargestellt.

Der dreiphasige Transformator Ί mit Sternschaltung auf der Sekundärseite, mit einer Spannung von 50 V, speist den dreiphasigen Gleichrichter 2 mit der Brückschaltung. Die am Ausgangspunkt .4 des Gleichrichters 2 entstehende Spannung ist ein gleichgerichtetes Sechstaktsignal, das mit einem Pufferkondensator weiter geglättet werden kann. Der negative Ausgang des Gleichrichters 2 ist geerdet die positive Klemme ist mit dem Eingang des Hochleistungschoppers 3 verbunden. Zweckmäßig wird der Hochleistungschopper 3 aus parallelgeschalteten NPN-Leistungstransistoren aufgebaut. Die Anzahl der Transistoren wird der beanspruchten Leistung entsprechend gewählt.

Der Hochleistungschopper wird so gesteuert dcß an seinem Ausgang — dem Punkt B — und damit auf der Kontaktrolle 42 — immer eine Spannung erscheint, deren Effektivwert der Funktion Ul = K]fvgemäß, der Geschwindigkeit vdes Drahtes 41 entspricht Der Faktor K kann eingestellt werden.

An dem Ausgang des Impulsgenerators 5 — am Punkt C — wird ein symmetrisches Sägezahnsignal geliefert dessen Frequenz zwischen 03—2,5 kHz eingestellt werden kann. Der als Komparator realisierte ImpulsbrvnenniudulaUir 6 vergleich! die Spannung des !hi- us pulsgenerator* 5 und des Reglers 10. Vom Ausgang des Impulsbreitenmodulator 6 — vom Punkt D — gelangt die Spannung zu einem Potentialtrenner 7, von dem Ausgang desselben — vom Punkt E— gelangt die Spannung zu einer Antriebseinheit 8. Wenn kein Sollwert /ur Verfügung steht, schließt der Antrieb 8 den Hochlcistungchopper3.

Die Geschwindigkeit des Drahtes 41 wird meistens mit einem Tachodynamo ermittelt. Mit Hinsicht darauf, daß zwischen der Erweichungsspannung (der Istwert) und der Geschwindigkeit des Drahtes die Beziehung Ul = K]/v besteht, wird von der Spannung des Tachodynamos in einer den Sollwert erzeugenden Einheit 9 die Quadratwurzel gebildet, wobei die Einstellbarkeil des Faktors K mit einem äußeren Potentiometer sichergestellt wird. Der Sollwert X_a gelangt auf den differenzbildenden Anschluß des Reglers 10, in dem dieser mit dem von der den Istwert erzeugenden Einheit 12 gelieferten Istwert X₁- verglichen wird. Aus dem Regler mil Pl Schaltverhalten gelangt die dem Differcnzsign;il entsprechende Spannung auf den Impulsbreitenmodulator ö, wo sie mit dem Sägczahnsignai des impuisgencrators 5 verglichen wird, der Potentialtrenner 7. sowie die Antriebseinheit 8 steuern auf die von dem Regler 10 bestimmte Weise den Hochleistungschopper 3 so, daß der Effektivwert der Ausgangsspannung der Beziehung Ul = K][v entspricht. Demnach wird die Arbeitsfrequenz des Hoehleistungschoppers 3 durch die Frequenz der symmetrischen Sägezahnsignale des Impulsgenerators 5 bestimmt, während der Effektivwert der Ausgangssp^-nnung von der Ausgangsspannung des Reglers 10 bestimmt wird. Wenn nun der Sollwert Xj größer wird, d. h. die Geschwindigkeit des Drahtes 41 zunimmt, wird auch die Spannung des Reglers 10 höher, wonach der Irnpulsbreitenmodulator 6 über den Potentialtrenner 7 und die Antriebseinheit 8 — am Punkte F — den Hochleistungschopper so steuert, daß die Einschaltdauer tb gegenüber der Ausschaltdauer h langer ist, d. h. der Effektivwert der in der Erweichungszone vorhandenen

U₁

gemäß größer wird, und zwar nach der von der den Sollwert erzeugenden Einheit bestimmten Funktion

Die Regelung findet in dem gesamten Bereich der Geschwindigkeit (der Spannung) nach dem obenbeschriebenen Prinzip statt. Die Anlage ist mit einem elektronischen Schutzstromkreis 11 versehen, der bei einem Überstrom »eine Impulssperre« bewirkt.

Mit der Impulssperre kann die Ausgangsgröße des Hochleistungschoppers 3 abgestellt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrische Speiseeinheit für eine mit Hochgeschwindigkeit arbeitende mit einer Kurzstrecke ausgestaltete Anlage für das Weichglühen von Drähten durch elektrischen Kontakt während des Ziehens der Metalldrähte zwischen Kontaktrollen durch eine Erweichung'szone der Anlage, wobei die Anlage eine den mit der Geschwindigkeit des Drahtes proportionalen Istwert erzeugende Einheit, sowie eine den Sollwert erzeugende Einheit (8) und mit diesen Einheiten verbundenen Regler (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein gleichgerichteter Drehstrom mittels eines Choppers (3) in einen getakteten Gleichstrom mit einer Arbeitsfrequenz einer Periodendauer sehr viel kleiner als die Durchkufzeit des Drahtes durch die Erweichungszone umgeformt wird, wobei die an den Kontaictrollen anliegende Effektivspannung durch Änderung des Tasienverhäitnisses des geiakieien Gleichstroms, des Choppers (3) mittels eines über einen Potentialtrenner (7) an den Chopper(3) gekoppelten Impulsbreitenmodulators (6). der mit seinem einen Eingang mit einem Impulsgenerator (5), mit seinem anderen Eingang mit dem Ausgang des Reglers (10) verbunden ist, in Abhängigkeit von der Drahtgeschwindigkeit geregelt wird.

2. Elektrische Speiseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Impulsgenerators (5) zur Anpassung an die Länge der Erweichungszone änderbar ist

3. Elektrische Speiseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da'3 der Potentialtrenner (7) über eine Antriebseinheit (8) mit dem Chopper (3) verbunden ist

4. Elektrische Speiseeinheit nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schütz (11) vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Ausgang des Choppers (3) verbunden ist. während sein Ausgang mit der Antriebseinheit (8) verbunden ist.