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Die
Erfindung betrifft ein magnetisches Heizsystem, beispielsweise zur
Benutzung bei der Wärmebehandlung
von Metallkomponenten.
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Die
Verwendungen niederfrequenter magnetischer Wechselfelder für die Wärmebehandlung
von Metallartikeln ist seit vielen Jahren bekannt. Beispielhafte
Veröffentlichungen
derartiger Technologie sind:
US
133 5453 ;
US 396 5321 ;
US 428 1234 ;
US 467 3781 ;
US 476 1527 ;
US 485 6097 ;
EP 0183 209 ; und
EP 0459 837 . Die Regelung der Erhitzung
der Artikel wird typischerweise durch Variation des durch die Spulen
fließenden
Stroms, gewöhnlich
durch Variieren der anliegenden Spannung, erzielt.
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Eine
Schwierigkeit der konventionellen Systeme ist das Erzielen einer
ausreichend genauen Temperaturführung.
Beispielsweise liegt beim Erwärmen
von Aluminiumblöcken
bei der Vorbereitung von Umformoperationen die plastische Temperatur
des Aluminiums dicht beim Schmelzpunkt, wobei eine relativ geringe
Variation der aufgebrachten Spannung in geschmolzenem Aluminium
resultieren kann, das aus der Erwärmungsvorrichtung fließt, anstatt
von Blöcken,
die fertig zur Bearbeitung sind.
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Die
US 381 6690 offenbart eine
Induktions-Heizvorrichtung, in der ein Inverter die Spannung und
die Frequenz der Spannungsquelle in Reaktion auf die erfasste Temperatur
des zu erhitzenden Artikels variiert. Die
US 535 2872 offenbart einen Induktionsofen,
bei dem die Spannung und Frequenz einer drei Phasen Versorgung geregelt
wird, um einen Artikel zu erwärmen.
Die
EP 0439 900 A offenbart
ein Induktionsheizverfahren, bei dem eine separate Spule durch eine
entsprechende Phase einer drei Phasenversorgung mit Energie versorgt
wird. Die
EP 0619 692
A offenbart ein induktives Heizsystem mit Rückkopplung,
um die Frequenz der Spannungsversorgung zu regeln, um der Resonanzfrequenz
des Heizers zu folgen. Die Spannungsversorgung wird abgetrennt,
wenn eine vorbestimmte Temperatur erreicht wird.
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In
keinem des oben genannten Standes der Technik wird ein Induktions-Heizsystem
zur Verfügung
gestellt, das eine ausreichend akkurate Temperaturregelungen vorsieht,
insbesondere unter den in der Einleitung erwähnten Umständen.
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Die
Erfindung sieht daher ein magnetisches Heizsystem vor, das einen
Kern aus einem magnetischen Material mit einer Spule aufweist, die
um zumindest einen Teil desselben gewickelt ist, und eine Stromversorgung,
die mit der Spule zum Versorgen mit einem niederfrequenten Wechselstrom
verbunden ist, wodurch ein Artikel beheizt wird; und eine Sensoreinrichtung
zum Erfassen der Temperatur des Artikels, der beheizt wird; wobei
die Stromversorgung Einrichtungen zum Variieren der Spannungen und Frequenz
des Wechselstroms in der Spule aufweist; und wobei die Stromversorgung
derart angeordnet ist, um in Reaktion auf die erfasste Temperatur,
die durch die Sensoreinrichtungen erfasst wird, geregelt zu werden,
dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Phase der Spannungszuwachs
der Stromversorgung automatisch geregelt wird, um die Temperatur
des Artikels auf eine Offsettemperatur anzuheben, und in einer zweiten
Phase die Frequenz automatisch variiert wird, wodurch die Temperatur
des Artikels von der Offsettemperatur zu einer vorbestimmten Temperatur
angehoben wird, und um die Temperatur des Artikels bei dem vorbestimmten
Wert zu halten.
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Vorzugsweise
weisen die Einrichtungen zum Variieren der Frequenz einen Inverter
auf, der eine Vorrichtung ist, die mit einer Wechselstromversorgung
mit einer ersten Frequenz versorgt wird, und die so angeordnet ist,
um einen Strom selektiv variabler Frequenz auszugeben. Auch sind
Einrichtungen in der Spannungsversorgung zum Regeln der anliegenden
Spannung an der Spule als auch der Frequenz vorgesehen.
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Während ein
Phasen Spannungsversorgungen für
relativ geringe Leistungsanwendungen verwendet werden können, ist
es wünschenswert,
eine drei Phasen Versorgung für
höhere
Leistungsanforderungen zu verwenden. Daher ist es für eine ein Phasen
Heizvorrichtung erforderlich, einen Transformator zu verwenden,
der mit der drei Phasen Versorgung verbunden ist, um eine ein Phasen
Ausgabe an die Spule vorzusehen. Es wurde nun herausgefunden, dass
auf die Verwendung eines Transformators verzichtet werden kann,
wenn ein Inverter verwendet wird, wobei zwei der Ausgangs-Phasen
von dem drei Phasen Inverter mit der Spule verbunden werden. Dann
wird keine Verbindung mit der dritten Phase hergestellt. Vorzugsweise
werden zwei getrennte Heizspulen an gegenüberliegenden Polstücken, die Teil
eines C-förmigen
Kerns bilden, verwendet, wobei die Spulen parallel oder in Reihe
verbunden sind. Ein Vorteil der Verwendung des Inverters auf diese
Weise ist es, dass eine Leistungsfaktorkorrektur erzielt werden
kann.
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Die
oder jede Spule, die in dem Heizsystem der Erfindung verwendet wird,
ist vorzugsweise gewickelt, um eine einfach Lagenwicklung zur Verfügung stellen,
da herausgefunden wurde, dass dies einen größeren Heizwirkungsgrad als
mehrfach Lagenwicklungen aufweist.
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Das
beschriebene Regelsystem macht es einfach, grobe Regelungen der
Temperatur durch Variation der auf die Spulen aufgebrachten Spannung zu
bewirken, und eine feine Regelung durch Variieren der Frequenz.
Es wird angemerkt, dass eine Zunahme der Frequenz die Reaktion der
Spulen vergrößert, wodurch
der Strom darin reduziert wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen System
kann eine präzise
Regelung der Temperatur des zu erwärmenden Artikels erzielt werden,
beispielsweise auf plus/minus 2°C
genau.
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In
den Zeichnungen, die eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung darstellen,
zeigen:
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1: Ein Diagramm der verwendeten
elektrischen Schaltung; und
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2: Ein Diagramm der gesamten
Vorrichtung.
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Das
System setzt einen Inverter 1 ein, der einen drei Phasen
Wechselstrom Eingang (L1, L2, L3) bei der Standard Hauptversorgungsfrequenz
(50 oder 60 Hz) aufweist, und der einen drei Phasen Ausgang selektiv
variabler Frequenz und Spannung vorsieht. Ein Beispiel eines derartigen
Inverters ist der Typ Hitachi J 300, der in einem Bereich von Leistungen
verfügbar
ist. Inverter von diesem Typ werden typischerweise mit Schnittstelleneinrichtungen
vorgesehenen, die Regelungen durch externe Vorrichtungen der Spannung
und/oder Frequenz der Versorgung zu der externen Last erlauben,
und die ein Überwachen
des angewendeten Stroms vorsehen. Normalerweise werden derartige
Inverter für
die Regelung von Elektromotoren verwendet. In dem System der Erfindung
sind zwei Spulen 2 und 3, die parallel verbunden
sind, durch zwei Phasen des Inverters angetrieben. Dies wird durch Vermeiden
der Verbindung mit der zentralen Phase erreicht. Die Spulen können alternativ
in Reihe geschaltet oder Einzelspulen könnten an Stelle von zwei Spulen
verbunden sein.
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Der
Inverter überwacht
seinen Ausgangsstrom nur an den zwei äußeren Phasen, wobei Hall-Effekt Wandler verwendet
werden. Das Weglassen von jeglicher Last an der zentralen Phase
des Inverters ist daher für
den Inverter Regelkreis irrelevant. Es ist anzumerken, dass die
Erfindung auch auf Anordnungen anwendbar ist, bei denen alle drei
Ausgangs-Phasen des Inverters eingesetzt werden, die an drei verschiedene
Spulen liefern, oder Paare von Spulen, wobei Erwärmung durch drei getrennte
Kerne verursacht wird. Beispielsweise in der in unserer veröffentlichten
internationalen Patentanmeldungen WO 98/52385 skizzierten Weise.
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2 zeigt in Diagrammform eine
praktische Anwendung dieser Anordnung. Der Inverter 1 ist
mit den zwei Spulen 2 und 3 an gegenüberliegenden
Polstücken 5 und 6 verbunden,
die auf den selben C-förmigen
Kern 4 gewickelt sind, wobei das obere Polstück 5 vertikal
relativ zu dem unteren Polstück 6 verschieblich
ist, um unterschiedliche Größen von
Artikeln 7, die erhitzt werden sollen, aufzunehmen.
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Ein
Thermoelement 8 ist an dem Artikeln 7 befestigt,
um die Temperatur zu überwachen.
Das Thermoelement 8 ist mit einem Regler 9 verbunden, der
operativ mit dem Inverter 1 verbunden ist, um die Spannung
und Frequenz der Versorgung zu der Spulen 2 und 3 variieren
zu können,
Leistung und dadurch die erzielte Heizleistung, die an die Spulen
geliefert wird, zu regeln. Der Regler kann jede programmierbare
Vorrichtung, beispielsweise ein programmierbarer Logik Controller
(PLC) oder ein Computer sein. Der Regler 9 überwacht
auch den Strom, der zu den Spulen geliefert wird. Der Regler 9 kann
mit dem Inverter durch jede geeignete Einrichtung verbunden sein,
beispielsweise durch ein RS-485 Standard Interface. Der Regler kann
auch dazu dienen andere Funktionen der Heizvorrichtung zu regeln,
beispielsweise die Pneumatikregelung, die den verschiebbaren Arm
des Kerns bewegt und die Positionierung des Werkstücks regelt.
Durch Rückkopplung
der tatsächlichen
Temperatur des Artikels 7 zu dem Regler 9, kann
die Leistung zum Erhitzen des Artikels auf die gewünschte Temperatur
mit ausreichender Genauigkeit geregelt werden, um sicherzustellen,
dass beispielsweise im Falle von Aluminiumblöcken, die Plastifizierungstemperatur
aufrechterhalten wird, ohne ein Schmelzen zu riskieren. Es ist offensichtlich,
dass andere Möglichkeiten
zum Überwachen
der Temperatur des Artikels 7 als das Anbringen eines Thermoelements
auf dem Artikel angewendet werden können. Beispielsweise kann die
Wärme,
die durch den Artikeln abgestrahlt wird, durch einen Infrarotdetektor aus
der Ferne erfasst werden.
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3 illustriert die Programmierung
des Reglers 9. Am Beginn des Zyklus wird die Erwärmung rasch
ausgeführt,
mit einem optimalen Spulenstrom, was einen maximal verfügbarer Strom
sein kann. Die Temperatur des Artikels wird erfasst und mit einer
Offset-Temperatur
verglichen, die einen vorbestimmten Betrag unter der gewünschten
Temperatur liegt, beispielsweise 5 bis 10°C darunter. Wenn die Offsettemperatur
erreicht wird, wird die Spannungsverstärkung am Inverter auf ein vorbestimmtes niedrigeres
Niveau reduziert und die Temperatur wird fortgesetzt überwacht.
Wenn die gewünschte
Temperatur, der Einstellpunkt, nicht erreicht wird, wird die Spannungsverstärkung um
ein kleines Inkrement vergrößert und
die Temperatur erneut gemessen. Dies wird wiederholt, bis der Einstellpunkt
erreicht ist, als Ergebnis davon wird die Spannungsverstärkung auf
ein niedriges Niveau reduziert, unter das vorbestimmte untere Niveau,
das hiernach erwähnt
wird. Nach einer Verzögerung,
wird die Wirkung auf die Temperatur erneut geprüft. Falls sie nicht fällt, wird die
Frequenz der Versorgung zu den Spulen um einen vorbestimmten Wert
vergrößert und
die Temperatur wird nach der Verzögerung geprüft. Dies wird wiederholt, bis
die Temperatur zu fallen beginnt. Falls die Temperatur unter den
Einstellenpunkt fällt,
wird die Spannungsverstärkung
vergrößert und
die Wirkung wie zuvor beschrieben beobachtet. Falls die Temperatur
nicht unter den Einstellpunkt fällt,
wird die Temperatur weiter beobachtet, ohne eine Korrekturaktion
zu erfordern. Auf diese Weise kann die Temperatur des zu erwärmenden
Artikels sehr genau geregelt werden.