EP1318696A1 - Verfahren zum elektrischen Beheizen von Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke - Google Patents

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EP1318696A1
EP1318696A1 EP01128278A EP01128278A EP1318696A1 EP 1318696 A1 EP1318696 A1 EP 1318696A1 EP 01128278 A EP01128278 A EP 01128278A EP 01128278 A EP01128278 A EP 01128278A EP 1318696 A1 EP1318696 A1 EP 1318696A1
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EP
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heating
phase
connection
star connection
temperature
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Karl-Heinz Lemken
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Ipsen International GmbH
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    • H05B3/62—Heating elements specially adapted for furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/62—Heating elements specially adapted for furnaces
    • H05B3/64—Heating elements specially adapted for furnaces using ribbon, rod, or wire heater

Definitions

  • the invention relates to a method for electrical heating of furnaces for Heat treatment of metallic workpieces, in particular from Plasma carburizing or nitriding usable vacuum furnaces, in which the Heating elements of a furnace are supplied with a heating voltage on the Secondary side of one connected to a three-phase network Three-phase transformer is generated.
  • phase-shifted alternating voltages caused by each other which is not a purely ohmic electrical consumer, i.e. electrical Consumers with circuit parts with inductive and / or capacitive Properties, one of the inductance and / or capacitance of the consumer dependent phase shift ( ⁇ ) between voltage and current.
  • the power factor (cos ⁇ ) is only in a certain working point or in a range of predetermined Working points can be kept at acceptable values between 0.8 and 0.9.
  • Already smallest deviations from the working point (s) of the transformers are with a high reduction in the power factor (cos ⁇ ) and thus with a Increase in the reactive current component and a correspondingly high reactive power (Q) connected.
  • VRTs variably adjustable reactance transformers
  • Q reactive power
  • the invention has the object based on a process for the electrical heating of furnaces for the Heat treatment of metallic workpieces of the type mentioned at the beginning to further develop that in a simple and inexpensive manner relatively low reactive power share can be achieved.
  • This task is in a method with the features mentioned above solved according to the invention in that the primary Coil windings of the three-phase transformer during a first heating phase in delta connection and during a second heating phase in star connection be switched, with the changeover time from delta connection to Star connection depending on the characteristic of the heating process Operating parameters is determined.
  • the invention is based on the knowledge that the heating process during electrical heating of furnaces for the heat treatment of metallic Workpieces include heating phases that require different heating powers. This is the case, for example, when the oven is heated to a certain temperature a higher heating output is required than for holding the oven on one the required heat treatment necessary treatment temperature.
  • the invention by switching the primary side Coil windings of the three-phase transformer from delta connection Star connection depending on the characteristic of the heating process Operating parameters ensures that the three-phase transformer in one Working point or in a range of working points in which a high power factor (cos ⁇ ) is given.
  • By switching from Delta connection to star connection becomes that of the three-phase transformer electrical power supplied on the primary side is reduced.
  • the working point of the three-phase transformer despite the associated reduction in secondary-side electrical output power as well as that with the or Operating points associated power factor (cos ⁇ ) observed, so that a Restriction of the reactive power is achieved without complex compensation.
  • the Switching point from delta connection to star connection depending on the oven temperature and / or the batch temperature and / or the Power factor (cos ⁇ ) as characteristic of the heating process Operating parameters determined.
  • heating elements with a comparatively high-resistance used. This is in Difference to previous procedures also with plasma carburizing or Plasma nitriding possible because of the star connection both the current and also the heating power and thus the heating voltage during the second Heating phase is reduced, so that - as previously discussed - the risk of Ionization of the furnace atmosphere in the area of the heating elements is excluded can be.
  • heating elements with a high resistance Resistance reduces the technical manufacturing effort, since the mass of the heating elements can be reduced and accordingly required heating power is lower. It can also be used in this way for different types of furnaces use the same heating elements, so that the previous decisive for furnaces for plasma carburizing or plasma nitriding There is no additional effort.
  • Three-phase transformer a variably adjustable reactance transformer used.
  • the heating voltage respectively Temperature in the furnace chamber instead of using a contactor by varying the Control variable of the reactance transformer is adjustable.
  • the result of Change the manipulated variable of a reactance transformer in the direction of smaller ones Values usually resulting reduction in the power factor (cos ⁇ ) due to the high impedance of the resistance of the heating elements of minor importance.
  • the heating voltage for the first and second heating phase - without prejudice to the switch from triangle to Star connection by means of a contactor - by varying the manipulated variable of the Reactance transformer is adapted.
  • a heating voltage of less than 35 V, preferably about 30 V to the Heating elements created.
  • FIGS. 1 and 2 shows current strands 1a, 1b, 1c, formed as flat copper lines with a cross section of 30 ⁇ 10 mm, of a three-phase network having a mains voltage of approximately 400 V.
  • the current strands 1a, 1b, 1c are connected to fuse switch disconnectors 2a, 2b of size NH2, which are secured with 315 A.
  • the fuse switch disconnectors 2a, 2b are connected to a mains contactor 4a designed for 300 A and a triangular contactor 4b also designed for 300 A or a star contactor connected in parallel with the latter and designed for 160 A 4c connected.
  • Flat copper lines 5a, 5b with a cross section of 6 x 120 mm 2 connect the contactors 4a to 4c to the primary-side coil windings of a variably adjustable reactance transformer 6.
  • the secondary-side coil windings of the reactance transformer 6 are flat -Copper lines 7a, 7b, 7c with a thickness of 2 x 120 x 10 mm are connected to heating elements 8a, 8b, 8c with a high-resistance resistor.
  • the coil windings of the reactance transformer 6 on the primary side are dependent on Process state of a heat treatment carried out in the vacuum furnace linked either in a delta connection or in a star connection.
  • By the contactors 4b, 4c can switch from delta to star connection can be switched.
  • delta connection is on the primary side of the Reactance transformer 6 to a conductor voltage of about 400 V.
  • the one through the primary-side coil windings of the reactance transformer 6 flowing current has an amperage of about 464 A.
  • the primary side of the reactance transformer 6 has a lower conductor voltage of about 230 V.
  • the size of the primary current is also lower and is about 268 A.
  • each Individual transformers 9a, 9b, 9c of the reactance transformer 6 is on the Primary side of the reactance transformer 6 each applied conductor voltage transformed down, in the case of star connection, for example, to one on the Secondary side of the reactance transformer dropping heating voltage of about 35 V. This results in a secondary current of 3057 A Active power of approximately 107 kW each for the heating elements 8a, 8b, 8c.
  • the heating device based on the circuit diagram described above enables the furnace chamber of the vacuum furnace to be used, for example Plasma nitriding metallic workpieces during a first heating phase certain temperature, about 1080 ° C, heated up and during a second Heating phase on a corresponding to the respective purpose Nitriding temperature of, for example, 600 ° C to 850 ° C for a given one Duration is held.
  • the first heating phase the primary-side coil windings of the reactance transformer 6 in the Delta connection, so that due to the use of the heating elements 8a, 8b, 8c provided high heating power results in a short heating-up time.
  • the specified temperature is reached at the end of the first heating phase using of the contactor 4c switched to star connection, whereby both the Secondary current as well as the heating voltage falling on the secondary side is reduced.
  • Heating power is required, is due to the reduced heating voltage sufficient heating power provided.
  • the reactance transformer 6 leaves however, use the fine adjustment of the heating output. This is not done there is no significant reduction in the power factor (cos ⁇ ). To this A small reactive current component is taken into account, the one elaborate reactive current compensation can be dispensed with and not least the energy costs.
  • the high resistance of the Heating elements 8a, 8b, 8c support this.
  • Figure 3 shows the time course of the power factor (cos ⁇ ) during a Heating process according to the prior art.
  • Oven and batch are made by Room temperature (about 20 ° C) heated to a temperature of 900 ° C. Based The temperature profile of the furnace and the batch shows that the batch follows the temperature curve of the furnace with a time delay.
  • the power factor cos Abfall drops, the Reactive current component and thus the reactive power Q in an undesirable manner.
  • FIG. 4 shows the time profile of the power factor cos ⁇ for the heating process according to FIG. 3 when heating an oven and a batch from room temperature (approximately 20 ° C.) to a treatment temperature of 900 ° C.
  • the changeover time becomes the primary side Coil windings of the reactance transformer 6 determined from delta connection to star connection depending on the power factor cos ⁇ .
  • the switchover time t um is determined as a function of a predetermined power factor cos ⁇ of 0.80, which should not be undercut.
  • the operating point of the reactance transformer 6 changes, as a result of which the power factor cos ⁇ , which has a value of 0.85 at the beginning of the heating process, gradually decreases.
  • a power factor cos ⁇ of 0.80 is reached and / or fallen below, the primary-side coil windings of the reactance transformer 6 are switched from delta connection to star connection.
  • the reactance transformer consumes less electrical power from the three-phase network. Accordingly, the secondary-side electrical heating voltage and thus the heating power is reduced and the power factor cos ⁇ increases to a value of 0.95, corresponding to a reduced reactive power Q.
  • the reactance transformer operates, apart from slight deviations, in its operating point.
  • the reduced heating power on the secondary side is sufficient for the heating power required to maintain or lower the furnace or batch temperature for the heat treatment of metallic workpieces taking place in the second heating phase.
  • the changeover time t around the primary-side coil windings of the reactance transformer 6 from delta connection to star connection depending on the achievement of a predetermined power factor cos ⁇ accordingly represents a measure to reduce electricity costs.
  • Figure 5 shows the time profile of the power factor cos ⁇ for the Heating process of an oven or a batch of room temperature (approx. 20 ° C) to a treatment temperature of around 900 ° C primary-side coil windings of the reactance transformer 6 from Delta connection to star connection is dependent on one Predeterminable temporal change in the furnace temperature is determined. The temporal change in the furnace temperature is determined and when a Predefinable temperature change from delta connection to Star connection switched. At the time of changeover, the temperature rises when a value dropped from 0.85 to a value below 0.80 Power factor cos ⁇ to a value of 0.95 and stabilizes during the second heating phase to a value of 0.83.
  • FIG. 6 shows the time profile of the power factor cos ⁇ for the corresponding heating process of a furnace or a batch from room temperature (approximately 20 ° C.) to a temperature of 900 ° C.
  • the changeover time t is around the primary-side coil windings of the reactance transformer 6 determined from delta connection to star connection depending on the temporal change in the batch temperature.
  • the primary-side coil windings of the reactance transformer 6 are switched from delta connection to star connection.

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Abstract

Um ein Verfahren zum elektrischen Beheizen von Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere von zum Plasmaaufkohlen oder -nitrieren einsetzbaren Vakuumöfen, bei dem die Heizelemente (8a, 8b, 8c) eines Ofens mit einer Heizspannung versorgt werden, die auf der Sekundärseite eines an ein Drehstromnetzwerk angeschlossenen Drehstromtransformators (6) erzeugt wird, dahingehend weiter zu bilden, daß sich auf einfache und kostengünstige Weise ein verhältnismäßig geringer Blindleistungsanteil erzielen läßt, wird vorgeschlagen, daß die primärseitigen Spulenwicklungen des Drehstromtransformators (6) während einer ersten Heizphase in Dreieckschaltung und während einer zweiten Heizphase in Sternschaltung geschaltet werden, wobei der Umschaltzeitpunkt von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern bestimmt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Beheizen von Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere von zum Plasmaaufkohlen oder -nitrieren einsetzbaren Vakuumöfen, bei dem die Heizelemente eines Ofens mit einer Heizspannung versorgt werden, die auf der Sekundärseite eines an ein Drehstromnetzwerk angeschlossenen Drehstromtransformators erzeugt wird.
In Drehstromnetzwerken fließt üblicherweise ein durch drei um jeweils 120° zueinander phasenverschobene Wechselspannungen hervorgerufener Drehstrom, welcher bei nicht rein ohmschen elektrischen Verbrauchern, also elektrischen Verbrauchern mit Stromkreisteilen mit induktiven und/oder kapazitiven Eigenschaften, eine von der Induktivität und/oder Kapazitivität des Verbrauchers abhängende Phasenverschiebung (ϕ) zwischen Spannung und Strom aufweist.
In Drehstromnetzwerken ist nur die vom Drehstrom erzeugte Wirkleistung in elektrischen Verbrauchern - Betriebsmitteln, die elektrische Energie benötigen, um eine vom Menschen gestellte Aufgabe zu erfüllen - nutzbar. Im Drehstromnetzwerk tritt aber noch eine vom Blindstrom herrührende Blindleistung (Q) auf, die nicht zur nutzbaren Leistung beiträgt. Die Blindleistung hat ihre Ursache in der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom, die durch Induktivitäten und Kapazitäten im Stromkreis hervorgerufen und zum Aufbau von elektrischen und magnetischen Feldern verbraucht wird. Die Blindleistung (Q) wirkt sich ungünstig auf elektrische Anlagen aus, da sie Spannungsabfälle und Stromwärmeverluste verursacht und eine zusätzliche Belastung für Generatoren, Transformatoren und Leitungen darstellt. Von den Energieversorgungsunternehmen wird deshalb von größeren Verbrauchern die Einhaltung eines Leistungsfaktors (cos ϕ) zwischen 0,8 und 0,9 gefordert. Darüber hinaus ist eine Bezahlung des Blindleistungsbezuges vorgesehen. Industriebetriebe sind daher daran interessiert, die in ihrem Netz entstehende Blindleistung zu kompensieren.
Zur Kompensation von Blindleistung in Drehstromnetzwerken sind zahlreiche Kompensationsanlagen und -einrichtungen bekannt, wie beispielsweise Synchronkompensatoren, auch Phasenschieber genannt, Blindleistungskondensatoren und Blindleistungsstromrichter. Diese Anlagen und Einrichtungen bewirken eine Verkleinerung des Phasenwinkels (ϕ) zwischen Wirkleistung (P) und Scheinleistung (S) und damit eine Verkleinerung der den Energieversorgungsunternehmen zu bezahlenden Blindleistung (Q). Nachteilig ist der mit Anlagen und Einrichtungen zur Kompensation von Blindleistungen gegebene, nicht unbedeutende anlagentechnische und in wirtschaftlicher Hinsicht kostenintensive Aufwand, den es im Hinblick auf möglichst geringe Herstellungsund Betriebskosten zu vermeiden gilt.
Eine Kompensation der Blindleistung ist in besonderem Maße bei Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke von Nutzen, insbesondere bei zum Plasmaaufkohlen oder -nitrieren von Werkstücken eingesetzten Vakuumöfen. Um eine lonisierung der Ofenatmosphäre im Bereich der Heizelemente beim Plasmaaufkohlen oder -nitrieren zu vermeiden, sind bekannte Öfen mit Heizelementen versehen, die einen niederohmigen Widerstand aufweisen und mit einer geringen Heizspannung versorgt werden. Eine niederohmige Auslegung der Heizelemente erfordert allerdings eine entsprechend große Masse der Heizelemente, die ihrerseits eine erhöhte Heizleistung bedingt. Die erhöhte Heizleistung sowie die geringe Heizspannung haben neben einem beachtlichen anlagentechnischen und infolgedessen kostenintensiven Herstellungsaufwand zur Folge, daß ein Strom mit hoher Stromstärke durch die Heizelemente fließt, der demgemäß einen hohen Blindstromanteil und eine entsprechend hohe Blindleistung (Q) mit sich bringt.
Bei Drehstromtransformatoren und insbesondere im Zusammenhang mit Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke zur Steuerung der Heizspannung und damit der Temperatur in der Ofenkammer eingesetzten variabel einstellbaren Reaktanztransformatoren, VRT genannt, ist der Leistungsfaktor (cos ϕ) nur in einem bestimmten Arbeitspunkt bzw. in einem Bereich von vorbestimmten Arbeitspunkten bei akzeptablen Werten zwischen 0,8 und 0,9 haltbar. Bereits geringste Abweichungen von dem bzw. den Arbeitspunkten der Transformatoren sind mit einer hohen Verringerung des Leistungsfaktors (cos ϕ) und damit mit einer Erhöhung des Blindstromanteils und einer entsprechend hohen Blindleistung (Q) verbunden. Insbesondere bei variabel einstellbaren Reaktanztransformatoren (VRTs), welche bei Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke die Leistungsübertragung von der Primärseite auf die Sekundärseite des Transformators mittels einer auf für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern basierenden Stellgröße reguliert, ist aufgrund sich nahezu ständig ändernder Betriebsparameter des Heizvorgangs, beispielsweise der Ofentemperatur, der Chargentemperatur oder der jeweils erforderlichen Heizleistung, ein Abweichen vom optimalen Arbeitspunkt oder des Bereichs von Arbeitspunkten und einer damit einhergehenden Erhöhung der Blindleistung (Q) verbunden, wie empirische Versuche gezeigt haben.
Der Erfindung liegt in Anbetracht dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrischen Beheizen von Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich auf einfache und kostengünstige Weise ein verhältnismäßig geringer Blindleistungsanteil erzielen läßt.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die primärseitigen Spulenwicklungen des Drehstromtransformators während einer ersten Heizphase in Dreieckschaltung und während einer zweiten Heizphase in Sternschaltung geschaltet werden, wobei der Umschaltzeitpunkt von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern bestimmt wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Heizvorgang beim elektrischen Beheizen von Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke Heizphasen umfaßt, die unterschiedliche Heizleistungen benötigen. So ist beispielsweise beim Aufheizen des Ofens auf eine bestimmte Temperatur eine größere Heizleistung erforderlich, als für das Halten des Ofens auf einer für die geforderte Wärmebehandlung notwendigen Behandlungstemperatur. Erfindungsgemäß wird durch das Umschalten der primärseitigen Spulenwicklungen des Drehstromtransformators von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern gewährleistet, daß der Drehstromtransformator in einem Arbeitspunkt bzw. in einem Bereich von Arbeitspunkten arbeitet, in welchem ein hoher Leistungsfaktor (cos ϕ) gegeben ist. Durch die Umschaltung von Dreieckschaltung auf Sternschaltung wird die dem Drehstromtransformator primärseitig zugeführte elektrische Leistung verringert. Dabei wird der Arbeitspunkt des Drehstromtransformators trotz der damit verbundenen Verringerung der sekundärseitigen elektrischen Ausgangsleistung ebenso wie der mit dem bzw. den Arbeitspunkten verbundene Leistungsfaktor (cos ϕ) eingehalten, so daß eine Einschränkung der Blindleistung ohne aufwendige Kompensation erreicht wird.
Hierbei kommt in vorteilhafter Weise zum Tragen, daß die Dreieckschaltung der primärseitigen Spulenwicklungen in der ersten Heizphase eine hohe Heizleistung bewirkt, so daß sich eine entsprechend kurze Aufheizzeit ergibt. Nach dem Aufheizen ist in der zweiten Heizphase nur noch eine geringe Heizleistung zum Halten der Temperatur erforderlich. Dem wird erfindungsgemäß durch das Umschalten von Dreiecksschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern und der damit einhergehenden geringeren sekundärseitigen Heizspannung Rechnung getragen.
Vor allem im Zusammenhang mit einer Plasmaaufkohlung oder Plasmanitrierung führt letzteres darüber hinaus dazu, daß eine lonisierung der Ofenatmosphäre im Bereich der Heizelemente vermieden wird. Anstelle einer ansonsten erforderlichen Kompensation von Blindleistung (Q) wird durch die erfindungsgemäße Umschaltung die ansonsten zu kompensierende Blindleistung (Q) gar nicht erst erzeugt. Bedingt durch die Umschaltung der primärseitigen Spulenwicklungen des Drehstromtransformators von Dreieckschaltung auf Sternschaltung liegen an der Drehstromtransformators erzeugte Heizspannung durch das Umschalten von Dreieckschaltung auf Sternschaltung geringer wird und demgemäß eine geringere Heizleistung während der zweiten Heizphase bereitgestellt wird. Es wurde festgestellt, daß die durch Umschaltung von Dreieckschaltung auf Sternschaltung gegebene verringerte elektrische Heizleistung auf der Sekundärseite des Drehstromtransformators vorteilhafterweise im wesentlichen der während der zweiten Heizphase für das Halten der für die geforderte Wärmebehandlung notwendigen Betriebstemperatur erforderlichen verringerten Heizleistung entspricht. Vorteilhafterweise wird der Umschaltzeitpunkt von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit einer vorgebbaren Stellgröße, vorzugsweise eines variabel einstellbaren Reaktanztransformators, bestimmt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Umschaltzeitpunkt von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der Ofentemperatur und/oder der Chargentemperatur und/oder des Leistungsfaktors (cos ϕ) als für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern bestimmt.
Von Vorteil ist ferner, mittels eines Schütz von der Dreieckschaltung auf die Sternschaltung umzuschalten, da dann die Leistungsverluste gering gehalten werden und die Blindleistung erheblich verringert wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird von Heizelementen mit einem vergleichsweise hochohmigen Widerstand Gebrauch gemacht. Dies ist im Unterschied zu bisherigen Verfahrensführungen auch beim Plasmaaufkohlen oder Plasmanitrieren möglich, weil durch die Sternschaltung sowohl die Stromstärke als auch die Heizleistung und damit die Heizspannung während der zweiten Heizphase herabgesetzt ist, so daß - wie zuvor erörtert - die Gefahr einer lonisierung der Ofenatmosphäre im Bereich der Heizelemente ausgeschlossen werden kann. Durch den Einsatz von Heizelementen mit einem hochohmigen Widerstand verringert sich der anlagentechnische Herstellungsaufwand, da sich die Masse der Heizelemente reduzieren läßt und dementsprechend die erforderliche Heizleistung geringer wird. Darüber hinaus kann auf diese Weise für verschiedenartige Ofentypen die gleichen Heizelemente Anwendung finden, so daß der bisher bei Öfen für Plasmaaufkohlen oder Plasmanitrieren maßgebliche Mehraufwand entfällt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als Drehstromtransformator ein variabel einstellbarer Reaktanztransformator eingesetzt. Im Zusammenspiel mit einen hochohmigen Widerstand aufweisenden Heizelementen bietet dies den Vorteil, daß die Heizspannung respektive Temperatur in der Ofenkammer anstelle mit einem Schütz durch Variation der Stellgröße des Reaktanztransformators einstellbar ist. Die sich infolge der Veränderung der Stellgröße eines Reaktanztransformators in Richtung kleinerer Werte üblicherweise ergebende Verringerung des Leistungsfaktors (cos ϕ) ist aufgrund der Hochohmigkeit des Widerstands der Heizelemente dabei von untergeordneter Bedeutung. Um eine Feineinstellung der Heizspannung zu erreichen wird sonach ferner vorgeschlagen, daß die Heizspannung für die erste und zweite Heizphase - unbeschadet der Umschaltung von Dreieck- auf Sternschaltung mittels eines Schütz - durch Variieren der Stellgröße des Reaktanztransformators angepaßt wird.
Zweckmäßigerweise wird während der ersten Heizphase eine Heizspannung von weniger als 60 V, vorzugsweise ca. 50 V, und während der zweiten Heizphase eine Heizspannung von weniger als 35 V, vorzugsweise ca. 30 V, an die Heizelemente angelegt. Beim Plasmaaufkohlen oder Plasmanitrieren ist somit in der ersten Heizphase eine kurze Aufheizzeit sichergestellt und in der zweiten Heizphase eine Beeinträchtigung der Ofenatmosphäre durch unerwünschte lonisierung im Bereich der Heizelemente ausgeschlossen. Schließlich wird vorgeschlagen, ein Drehstromnetz mit einer Spannung von etwa 400 V vorzusehen, so daß der Betrieb eines Ofens für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke am öffentlichen Stromnetz ermöglicht ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In der zugehörigen Zeichnung zeigen im einzelnen:
Figur 1
eine schematische Darstellung des Stromlaufplans einer elektrischen Heizeinrichtung für einen Vakuumofen;
Figur 2
eine detaillierte Darstellung des Stromlaufplans gemäß Figur 1;
Figur 3
in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors (cos ϕ) beim Heizvorgang gemäß dem Stand der Technik;
Figur 4
in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors (cos ϕ) eines erfindungsgemäßen Heizvorgangs mit einer Umschaltung der primärseitigen Spulenwicklungen von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit des Leistungsfaktors (cos ϕ);
Figur 5
in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors (cos ϕ) eines erfindungsgemäßen Heizvorgangs mit einer Umschaltung der primärseitigen Spulenwicklungen von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der Ofentemperatur und
Figur 6
in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors (cos ϕ) eines erfindungsgemäßen Heizvorgangs mit einer Umschaltung der primärseitigen Spulenwicklungen von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der Chargentemperatur.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Stromlaufplan zeigt als Flach-Kupferleitungen mit einem Querschnitt von 30 x 10 mm ausgebildete Stromstränge 1a, 1b, 1c eines eine Netzspannung von etwa 400 V aufweisenden Drehstromnetzes. Die Stromstränge 1a, 1b, 1c sind mit Sicherungslasttrenner 2a, 2b der Größe NH2 verbunden, die mit 315 A gesichert sind. Über einen Querschnitt von 20 x 10 mm aufweisende Flach-Kupferleitungen 3a, 3b sind die Sicherungslasttrenner 2a, 2b an einen auf 300 A ausgelegten Netzschütz 4a und einen gleichfalls auf 300 A ausgelegten Dreieckschütz 4b beziehungsweise einen zu letzterem parallel geschalteten und auf 160 A ausgelegten Sternschütz 4c angeschlossen. Flach-Kupferleitungen 5a, 5b mit einem Querschnitt von 6 x 120 mm2 verbinden die Schütze 4a bis 4c mit den primärseitigen Spulenwicklungen eines variabel einstellbaren Reaktanztransformators 6. Wie insbesondere anhand von Fig. 2 zu erkennen, sind die sekundärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 über Flach-Kupferleitungen 7a, 7b, 7c der Stärke 2 x 120 x 10 mm an Heizelemente 8a, 8b, 8c mit einem hochohmigen Widerstand angeschlossen.
Die primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 sind je nach Verfahrenszustand einer in dem Vakuumofen durchgeführten Wärmebehandlung entweder in einer Dreieckschaltung oder in einer Sternschaltung verknüpft. Durch die Schütze 4b, 4c kann von der Dreieckschaltung auf die Sternschaltung umgeschaltet werden. Im Fall der Dreieckschaltung liegt auf der Primärseite des Reaktanztransformators 6 eine Leiterspannung von etwa 400 V an. Der durch die primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 fließende Strom hat dabei eine Stromstärke von etwa 464 A. Im Fall der Sternschaltung liegt auf der Primärseite des Reaktanztransformators 6 eine geringere Leiterspannung von etwa 230 V an. Die Größe des Primärstroms ist gleichfalls niedriger und beträgt etwa 268 A.
Durch eine Scheinleistung von jeweils 118 kVA übertragende Einzeltransformatoren 9a, 9b, 9c des Reaktanztransformators 6 wird die auf der Primärseite des Reaktanztransformators 6 jeweils anliegende Leiterspannung heruntertransformiert, im Fall der Sternschaltung beispielsweise auf eine an der Sekundärseite des Reaktanztransformators abfallende Heizspannung von etwa 35 V. Bei einem Sekundärstrom der Stromstärke 3057 A ergibt sich dadurch eine Wirkleistung von jeweils etwa 107 kW für die Heizelemente 8a, 8b, 8c.
Die auf dem zuvor geschilderten Stromlaufplan basierende Heizeinrichtung ermöglicht, daß die Ofenkammer des Vakuumofens beispielsweise zum Plasmanitrieren metallischer Werkstücke während einer ersten Heizphase auf eine bestimmte Temperatur, etwa 1080 °C, aufgeheizt und während einer zweiten Heizphase auf einer dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechenden Nitriertemperatur von beispielsweise 600 °C bis 850 °C für eine vorgegebene Dauer gehalten wird. Während der ersten Heizphase werden dabei die primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 in der Dreieckschaltung verknüpft, so daß sich aufgrund der damit für die Heizelemente 8a, 8b, 8c bereitgestellten hohen Heizleistung eine kurze Aufheizzeit ergibt. Bei Erreichen der vorgegeben Temperatur am Ende der ersten Heizphase wird mittels des Schütz 4c auf Sternschaltung umgeschaltet, wodurch sowohl der Sekundärstrom als auch die an der Sekundärseite abfallende Heizspannung reduziert wird.
Da zum Halten der Temperatur während der zweiten Heizphase eine geringere Heizleistung erforderlich ist, wird durch die reduzierte Heizspannung eine ausreichende Heizleistung zur Verfügung gestellt. Einer merklichen Veränderung der Stellgröße des Reaktanztransformators 6 zum Anpassen der Heizleistung bedarf es nicht, da dieser weiter in seinem Arbeitspunkt bzw. im Bereich seiner vorgegebenen Arbeitspunkte betrieben wird. Der Reaktanztransformator 6 läßt sich jedoch zur Feineinstellung der Heizleistung heranziehen. Dabei unterbleibt eine bedeutende Verkleinerung des Leistungsfaktors (cos ϕ) unterbleibt. Auf diese Weise wird einem geringen Blindstromanteil Rechnung getragen, der eine aufwendige Blindstromkompensation entbehrlich macht und nicht zuletzt die anfallenden Energiekosten senkt. Die hochohmigen Widerstände der Heizelemente 8a, 8b, 8c unterstützen dies.
Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors (cos ϕ) während eines Heizvorgangs gemäß dem Stand derr Technik. Ofen und Charge werden von Raumtemperatur (etwa 20° C) auf eine Temperatur von 900° C erhitzt. Anhand des Temperaturverlaufs von Ofen und Charge ist zu erkennen, daß die Charge dem Temperaturverlauf des Ofens zeitverzögert folgt. Beim Aufheizen befindet sich der Reaktanztransformator 6 noch in seinem Arbeitspunkt, welcher einen Leistungsfaktor von cos ϕ = 0,85 aufweist. Wie anhand von Figur 3 zu erkennen ist, verändert sich der Arbeitspunkt des Reaktanztransformators beim Aufheizen, mit der Folge, daß der Leistungsfaktor cos ϕ auf einen Wert von cos ϕ = 0,5 abfällt. Mit dem Abfall des Leistungsfaktors cos ϕ erhöht sich dabei der Blindstromanteil und damit die Blindleistung Q in unerwünschter Weise.
Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors cos ϕ für den Heizvorgang gemäß Figur 3 beim Beheizen eines Ofens und einer Charge von Raumtemperatur (etwa 20° C) auf eine Behandlungstemperatur von 900° C. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 wird der Umschaltzeitpunkt der primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit des Leistungsfaktors cos ϕ bestimmt. Der Umschaltzeitpunkt tum wird vorliegend in Abhängigkeit eines vorgegebenen, nicht zu unterschreitenden Leistungsfaktors cos ϕ von 0,80 bestimmt. Beim Aufheizen des Ofens und der Charge verändert sich der Arbeitspunkt des Reaktanztransformators 6, wodurch der zu Beginn des Heizvorgangs einen Wert von 0,85 aufweisende Leistungsfaktor cos ϕ nach und nach abfällt. Bei Erreichen und/oder Unterschreiten eines Leistungsfaktors cos ϕ von 0,80 werden die primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 von Dreieckschaltung auf Sternschaltung geschaltet. Durch die Umschaltung von Dreieckschaltung auf Sternschaltung nimmt der Reaktanztransformator eine geringere elektrische Leistung aus dem Drehstromnetzwerk auf. Dementsprechend reduziert sich die sekundärseitige elektrische Heizspannung und damit Heizleistung und der Leistungsfaktor cos ϕ erhöht sich auf einen Wert von 0,95, entsprechend einer reduzierten Blindleistung Q. Der Reaktanztransformator arbeitet dabei, abgesehen von geringen Abweichungen, in seinem Arbeitspunkt. Die reduzierte sekundärseitige Heizleistung genügt dabei den für das Halten bzw. geringere Ansteigen der Ofen- bzw. Chargentemperatur erforderlichen Heizleistung für die in der zweiten Heizphase stattfindende Wärmebehandlung metallischer Werkstücke. Nach dem Umschalten von Dreieckschaltung auf Sternschaltung nimmt der Leistungsfaktor cos ϕ von dem im Umschaltzeitpunkt gegebenen Leistungsfaktor cos ϕ = 0,95 nach und nach einen Leistungsfaktor cos ϕ mit einem stabilen Wert von cos ϕ = 0,83 ein.
Den Umschaltzeitpunkt tum der primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit des Erreichens eines vorgegebenen Leistungsfaktors cos ϕ stellt dementsprechend eine stromkostensenkende Maßnahme dar.
Figur 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors cos ϕ für den Heizvorgang eines Ofens bzw. einer Charge von Raumtemperatur (etwa 20° C) auf eine Behandlungstemperatur von etwa 900° C. Der Umschaltzeitpunkt der primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 von Dreieckschaltung auf Sternschaltung wird dabei in Abhängigkeit von einer vorgebbaren zeitlichen Änderung der Ofentemperatur bestimmt. Dabei wird die zeitliche Änderung der Ofentemperatur ermittelt und bei Erreichen einer vorgebbaren zeitlichen Temperaturänderung von Dreieckschaltung auf Sternschaltung umgeschaltet. Im Umschaltzeitpunkt steigt der beim Aufheizen von einem Wert von 0,85 auf einen Wert unterhalb von 0,80 abgefallene Leistungsfaktor cos ϕ auf einen Wert von 0,95 an und stabilisiert sich während der zweiten Heizphase auf einen Wert von 0,83.
Figur 6 zeigt den zeitlichen Verlauf des Leistungsfaktors cos ϕ für den entsprechenden Heizvorgang eines Ofens bzw. einer Charge von Raumtemperatur (etwa 20° C) auf eine Temperatur von 900° C. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 wird der Umschaltzeitpunkt tum der primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Chargentemperatur bestimmt. Bei Erreichen einer zeitlichen Änderung der Chargentemperatur von δ t = 10° C werden die primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators 6 von Dreieckschaltung auf Sternschaltung umgeschaltet. Der während der ersten Heizphase von einem Leistungsfaktor cos ϕ = 0,85 auf einen Wert unterhalb von 0,80 abgefallene Leistungsfaktor cos ϕ steigt im Umschaltzeitpunkt tum sprunghaft auf einen Leistungsfaktor cos ϕ von etwa 0,85 an und stabilisiert sich während der zweiten Heizphase auf einen Leistungsfaktor cos ϕ = 0,83.
Durch das verfahrensgemäße automatische Umschalten der Verschaltung der primärseitigen Spulenwicklungen von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern, gemäß Figur 4 in Abhängigkeit des Leistungsfaktors cos ϕ, gemäß Figur 5 in Abhängigkeit der Ofentemperatur und gemäß Figur 6 in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Chargentemperatur läßt sich auf einfache und kostengünstige Art und Weise ohne aufwendige Blindleistungskompensationseinrichtungen ein verhältnismäßig geringer Blindleistungsanteil erzielen. Der Umschaltzeitpunkt der primärseitigen Spulenwicklungen des Reaktanztransformators von Dreieckschaltung auf Sternschaltung ist dabei in weiten Bereichen individuellen Bedürfnissen des Heizvorgangs anpaßbar.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
Bezugszeichenliste
1a
Stromstrang
1b
Stromstrang
1c
Stromstrang
2a
Sicherungslasttrenner
2b
Sicherungslasttrenner
3a
Flach-Kupferleitung
3b
Flach-Kupferleitung
4a
Netzschütz
4b
Dreieckschütz
4c
Sternschütz
5a
Flach-Kupferleitung
5b
Flach-Kupferleitung
6
Reaktanztransformator
7a
Flach-Kupferleitung
7b
Flach-Kupferleitung
7c
Flach-Kupferleitung
8a
Heizelement
8b
Heizelement
8c
Heizelement
9a
Einzeltransformator
9b
Einzeltransformator
9c
Einzeltransformator
S
Scheinleistung
P
Wirkleistung
Q
Blindleistung
RT
Raumtemperatur
tum
Umschaltpunkt
T
Temperatur

Claims (15)

  1. Verfahren zum elektrischen Beheizen von Öfen für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere von zum Plasmaaufkohlen odernitrieren einsetzbaren Vakuumöfen, bei dem die Heizelemente (8a, 8b, 8c) eines Ofens mit einer Heizspannung versorgt werden, die auf der Sekundärseite eines an ein Drehstromnetzwerk angeschlossenen Drehstromtransformators (6) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die primärseitigen Spulenwicklungen des Drehstromtransformators (6) während einer ersten Heizphase in Dreieckschaltung und während einer zweiten Heizphase in Sternschaltung geschaltet werden, wobei der Umschaltzeitpunkt (tum) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von für den Heizvorgang charakteristischen Betriebsparametern bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltzeitpunkt (tum) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit einer vorgebbaren Stellgröße bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltzeitpunkt (tum) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit eines vorgebbaren Leistungsfaktors (cos ϕ) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen oder Unterschreiten eines Leistungsfaktors cos ϕ von 0,80 von Dreieckschaltung auf Sternschaltung umgeschaltet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltzeitpunkt (tum) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der Ofentemperatur bestimmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit einer zeitlichen Temperaturänderung der Ofentemperatur von Dreieckschaltung auf Sternschaltung umgeschaltet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltzeitpunkt (tum) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung in Abhängigkeit von der Chargentemperatur bestimmt wird.
  8. Verfahren nach Anpruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit einer zeitlichen Temperaturänderung die Chargentemperatur von Dreieckschaltung auf Sternschaltung umgestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen während der ersten Heizphase auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt und während der zweiten Heizphase auf einer für die geforderte Wärmebehandlung notwendigen Behandlungstemperatur gehalten wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Schütz (4b, 4c) von Dreieckschaltung auf Sternschaltung umgeschaltet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß von Heizelementen (8a, 8b, 8c) mit einem vergleichsweise hochohmigen Widerstand Gebrauch gemacht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehstromtransformator ein variabel einstellbarer Reaktanztransformator (6) eingesetzt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspannung für die erste und zweite Heizphase durch Variieren der Stellgröße des Reaktanztransformators (6) angepaßt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß während der ersten Heizphase eine Heizspannung von weniger als 60 Volt V, vorzugsweise etwa 50 Volt V, und während der zweiten Heizphase eine Heizspannung von weniger als 35 Volt V, vorzugsweise etwa 30 Volt V, an die Heizelemente (8a, 8b, 8c) angelegt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein Drehstromnetzwerk mit einer Spannung von etwa 400 Volt V.
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