专利名称：用于金属工件热处理炉的电加热方法
技术领域：
本发明涉及用于金属工件热处理炉的电加热方法，尤其是可用于等离子体碳化或氮化的真空炉的电加热方法，其中炉的加热元件被供给加热电压，此电压产生于一个连接在三相电网上的三相电流变压器的次级侧上。
在三相电网中只有由三相电流产生的有功功率在用电负载-需要电能的驱动装置，用以完成人们赋予的任务-中是可用的。在三相电网中还出现由无功电流引起的无功功率(Q)，它不算在可用功率之内。无功功率由电压和电流之间的相移引起，此相移由电路中的电感和电容引起并且用于形成电磁场。无功功率(Q)对电气设备有不利的作用，因为它引起电压下降和电流热损耗，并形成对发电机、变压器和导线的额外负荷。所以供电企业由于较大的电耗需要将功率因子(cos)保持在0.8和0.9之间。此外存在由无功功率引起的支出。因此工业企业感兴趣的是补偿在其电网中所形成的无功功率。
用于补偿三相电网中的无功功率，已知大量的补偿设备和补偿装置，例如同步补偿器-也称为移相器、无功功率电容器和无功功率变流器。这些设备和装置减小有功功率(P)和视在功率(S)间的相位角()，并从而减小由于无功功率(Q)所要支付给供电企业的支出。这些补偿无功功率的设备和装置的缺点在于，随之而来的并非不重要的在设备工艺和经济上的高费用，考虑到尽可能小的制造和运营成本，这是应该避免的。
在用于金属工件热处理的炉中，尤其是用于工件的等离子体碳化或氮化的真空炉，无功功率的补偿被大量采用。为了避免在等离子体碳化或氮化时加热元件范围炉内气体的电离(Lonisierung)，现有的炉设置有这样的加热元件，它们具有低电阻并且被供给很小的加热电压。但是加热元件的低阻设计要求加热元件有相应的大尺寸，这又以增大的加热功率为条件。增大的加热功率及小的加热电压除了值得注意的设备技术费用和由此而引起的高生产费用以外，还导致具有高电流强度的电流流过加热元件，从而带来高的无功电流和相应的高无功功率(Q)。
在三相电流变压器和特别与用于金属加工件的热处理炉相关的、用于控制加热电压并从而控制炉室的温度的可调电抗变压器(称作VRT)中，功率因子(cos)只能在一个确定的工作点上或者在预定的多个工作点范围内，保持在0.8和0.9之间可接受的值。从变压器的一个或多个工作点的偏移已经大大减小了功率因子(coS)，并从而提高了无功电流部分及相应的高无功功率(Q)。特别是在可调电抗变压器(VRT)中，它在用于金属加工件的热处理炉中时借助于一个基于表征加热过程的工作参数的设置值来调节从变压器初级至次级的功率传输，由于例如炉温、炉料温度或分别要求的加热功率等加热过程的工作参数几乎不断地变化，最佳工作点或工作点范围的偏移伴随着无功功率(Q)的增加，这已被以前的试验证实。
这一任务在具有开始时所述特征的方法中根据本发明如此解决三相电流变压器的初级绕组在第一加热阶段中连接成三角形电路，而在第二加热阶段中连接成星形电路，其中由三角形电路转接为星形电路的转换时间点根据用于表征加热过程的工作参数来确定。
本发明基于以下知识在用于金属加工件的热处理炉的电加热过程中需要不同的加热功率。例如在炉温升到规定温度时需要比炉温保持在进行的热处理所要求的处理温度时更大的加热功率。按照本发明，通过将三相电流变压器的初级绕组根据用于表征加热过程的工作参数由三角形电路转接为星形电路，来保证三相电流变压器工作在给出高功率因子(cos)的一个工作点上或多个工作点的范围内。通过由三角形电路转接为星形电路，从初级侧供给三相电流变压器的电功率下降。其中尽管次级侧输出电功率相应减小，但三相电流变压器的工作点以及与工作点相关的功率因子(cos)保持不变，从而不用高费用的补偿就实现了对无功功率的限制。
这样有优点地实现了在第一加热阶段初级绕组的三角形电路产生很高的加热功率，从而使得相应的升温时间短。在升温之后的第二加热阶段中仅需要很小的加热功率来保持温度。按照本发明，通过根据用于表征加热过程的工作参数由三角形电路转接为星形电路，以及由此得到的较小的次级加热电压来实现上述要求。
此外，首先在等离子体碳化或氮化时还要求避免在加热元件范围内炉内气体的电离。取代另外的无功功率(Q)补偿，通过本发明的转换，完全不产生需要被另外补偿的无功功率(Q)。通过将三相电流变压器的初级绕组由三角形电路转接为星形电路，在三相电流变压器上产生的加热电压通过由三角形电路转接为星形电路而变小，因而在第二加热阶段提供较小的加热功率。可以确定，三相交流变压器次级侧上由于从三角形电路转接为星形电路而减小的加热功率具有优点地基本上与在第二加热阶段中保持热处理所需的工作温度所要求的较低的加热功率相对应。具有优点地，由从三角形电路至星形电路的转换时间点根据一个可预定的设置值，最好是一个可调电抗变压器的设置值，来确定。
在本发明的一种特别具有优点的实施例中，由三角形电路至星形电路的转换时间点根据作为表征加热过程的工作参数的炉温和/或炉料温度和/或功率因子(cos)来确定。
此外有优点的是，借助于一个继电器将三角形电路转换为星形电路，因为此后保持较小的功耗，并且无功功率明显降低。
在本发明的一种优选实施例中，使用具有相对较高的欧姆电阻的加热元件。这在至今在等离子体碳化或氮化所用方法中是不可能的，因为在星形电路中不仅电流强度，而且加热功率，以及加热电压在第二加热阶段中都被降低了，从而，如前面所讨论，可以避免在加热元件范围中炉内气体电离的危险。通过利用高欧姆电阻的加热元件，设备技术有关的生产费用降低了，因为加热元件的尺寸可以减小，并且从而要求的加热功率减小了。此外，用这种方法可对不同的炉型采用相同的加热元件，使得至今在用于等离子体碳化或等离子体氮化的炉上所花费的大量开支降低了。
按照本发明的一种具有优点的改进型，一个可调电抗变压器用作三相电流变压器。它与具有高欧姆电阻的加热元件一起提供了以下优点加热功率以及炉室中的温度不是用继电器，而是可以通过改变电抗变压器的设置值来调整。通常由于电抗变压器的设置值在更小值方向上的的改变而得出的功率因子(cos)的减小在此由于加热元件的高欧姆电阻而无关紧要。此外为了实现加热电压的精确调整，建议无损于借助于继电器由三角形电路至星形电路的转接的情况下，对第一和第二加热阶段通过改变电抗变压器的设置值对加热电压进行调节匹配。
合乎目的地，在第一加热阶段施加到加热元件上的加热电压小于60伏，最好约为50伏，而在第二加热阶段此加热电压小于35伏，最好约为30伏。在等离子体碳化或等离子体氮化时，这保证了在第一加热阶段中的升温时间很短，并且避免了在第二加热阶段中加热元件范围内的炉内气体受到不希望的电离的影响。最后建议三相电网具有约400伏的电压，使得用于金属加工件的热处理炉可在公用电网上工作。
图1是用于真空炉的电加热装置的电路图；图2是图1所示电流图的详细示意图；图3是根据现有技术的加热过程中功率因子(cos)的时间曲线图；图4是按照本发明根据功率因子(cos)将初级绕组由三角形电路转接为星形电路的加热过程的功率因子(cos)的时间曲线图；图5是按照本发明根据炉温将初级绕组由三角形电路转接为星形电路的加热过程的功率因子(cos)的时间曲线图；图6是按照本发明根据炉炉料温度将初级绕组由三角形电路转接为星形电路的加热过程的功率因子(cos)的时间曲线图。
按照在真空炉中进行热处理的过程状态，电抗变压器6的初级绕组不是连接成三角形电路就是连接成星形电路。通过继电器4b,4c可以由三角形电路转接为星形电路。在三角形电路的情况下，在电抗变压器6的初级侧上有约400伏的线电压。流过电抗变压器6的初级绕组的电流这时有大约464安培的电流强度。在星形电路情况下，在电抗变压器6的初级侧上有大约230伏的较小的线电压。同样，初级电流的值也较小并约为268安培。
通过分别传输118kVA视在功率的电抗变压器的各个变压器9a,9b,9c，在电抗变压器6的初级侧上分别施加的线电压向低变换，在星形电路的情况下，例如降到在电抗变压器的次级侧上的加热电压约为35伏。对于电流强度为3057安培的次级电流，得到约107kW的用于加热元件8a，8b，8c的有用功率。
基于前面说明的电路图的加热装置，使得例如用于金属加工件的等离子体氮化的真空炉的炉室在第一加热阶段中可被加温到规定的约1080℃的温度，并且在第二加热阶段中在一个预定的持续期内保持在例如600℃至850℃之间符合应用的氮化温度上。在第一加热阶段中电抗变压器6的初级绕组连接成三角形电路，由于这样从而为加热元件8a，8b，8c提供高的加热功率而得到很短的升温时间。在第一阶段结束后达到预定温度时借助于继电器4c切换为星形电路，这样，不仅次级电流，而且施加在次级侧上的加热电压也降低。
因为为了在第二加热阶段中保持温度需要较小的加热功率，通过减小的加热电压提供了足够的加热功率。不需要明显改变电抗变压器6的设置值来调整匹配加热功率，因为它继续在其工作点上或其预定的多个工作点范围内工作。然而电抗变压器6可用于精确调节加热功率。同时不发生功率因子(cos)的明显减小。用这种方法获得很小的无功电流成份，这使得可以不用昂贵的无功功率补偿，并且降低能源成本，加热元件8a，8b，8c的高欧姆电阻支持这一点。
图3示出按照现有技术在加热过程中功率因子(cos)随时间变化的曲线。炉和炉料从室温(约20℃)被加热到900℃的温度。由炉和炉料的温度变化曲线可见，炉料的温度变化在时间上滞后于炉的温度变化，在升温时电抗变压器6仍处于其工作点上，该工作点具有cos＝0.85的功率因子。由图3可见，在升温时电抗变压器的工作点变化，其结果是功率因子cos降到cos＝0.5的值。随着功率因子cos的下降，无功电流成份以及无功功率Q以不希望的方式增大。
图4示出在如图3所示加热炉和炉料从室温(约20℃)上升到处理温度900℃的加热过程中功率因子cos随时间变化的曲线。在图4所示实施例中，电抗变压器6的初级绕组由三角形电路转接为星形电路的转换时间点根据功率因子cos确定。这里转换时间点tum根据一个预定的、不允许超过的功率因子cos为0.80来确定。在炉和炉料的升温过程中电抗变压器6的工作点变化，从而加热过程开始时具有值为0.85的功率因子cos逐渐下降。当功率因子coS达到和/或低于0.80时，电抗变压器6的初级绕组由三角形电路转换为星形电路。通过由三角形电路至星形电路的转换，电抗变压器从三相电网获得较小的电功率。对应于减小的无功功率Q，相应地次级侧的电加热电压降低，并从而加热功率减小，并且功率因子cos增加到值为0.95。其中电抗变压器以很小的偏移工作在其工作点上。减小的次级侧加热功率对于为在第二加热阶段中进行的金属加工件热处理而保持或略微升高炉温或炉料温度所需的加热功率是足够的。在从三角形电路转接为星形电路之后，功率因子cos从在转换时间点所给出的功率因子cos＝0.95不断下降，直到功率因子cos具有一个稳定值cos＝0.83。
根据是否到达一个预定的功率因子cos来确定电抗变压器6的初级绕组由三角形电路转接为星形电路的转换时间点tum相应描述了一种降低电流开销的措施。
图5示出炉或炉料从室温(约20℃)上升到约900℃的处理温度的加热过程中功率因子cos随时间变化的曲线。其中电抗变压器6的初级绕组由三角形电路转接为星形电路的转换时间点根据可预定的炉温随时间的变化来确定。这里炉温随时间的变化被求得，并且在达到预定的时间上的温度变化时由三角形电路转接为星形电路。在转换时间点，在升温时从0.85下降到0.80以下值的功率因子cos上升到值为0.95，并且在第二加热阶段中稳定到0.83的值。
图6示出炉或炉料从室温(约20℃)上升到900℃的相应加热过程中功率因子cos随时间变化的曲线。在图6所示实施例中电抗变压器6的初级绕组由三角形电路转接为星形电路的转换时间点tum根据炉料温度随时间的变化来确定。在炉料温度随时间的变化达到δt＝10℃时，电抗变压器6的初级绕组由三角形电路转接为星形电路。在第一加热阶段从功率因子cos＝0.85下降到低于0.80以下的功率因子cos在转换时间点tum跳升到约0.85的功率因子cos值，并且在第二加热阶段中稳定为功率因子cos＝0.83。
通过本发明根据表征加热过程的工作参数图4中根据功率因子cos，图5中根据炉温，图6中根据炉料温度随时间的变化，自动将初级绕组的连接由三角形电路转接为星形电路，可实现一种简单而又廉价的方式和方法，不用昂贵的无功功率补偿装置而取得相对较小的无功功率成份。在这里电抗变压器的初级绕组由三角形电路至星形电路的转换时间点可以在宽范围内匹配于加热过程的各种需要。
附图中所示实施例仅用于说明本发明，本发明并不局限于这些实施例。
附图标记列表1a电流线 7b扁平铜导线1b电流线 7c扁平铜导线1c电流线 8a加热元件2a安全负载断路器 8b加热元件2b安全负载断路器 8c加热元件3a扁平铜导线 9a单个变压器3b扁平铜导线 9b单个变压器4a电网继电器 9c单个变压器4b三角形继电器 S视在功率4c星形继电器 P有用功率5a扁平铜导线 Q无功功率5b扁平铜导线 RT室温6电抗变压器 tum转换时间点7a扁平铜导线 T温度
权利要求
1.用于金属工件热处理炉的电加热方法，尤其是用于等离子体碳化或氮化的真空炉的电加热方法，其中炉的加热元件(8a,8b,8c)被施加加热电压，它产生在连接于三相电网上的三相电流变压器(6)的次级侧，其特征在于，三相电流变压器(6)的初级绕组在第一加热阶段被接成三角形电路，而在第二加热阶段接成星形电路，并且由三角形电路至星形电路的转换时间点(tum)根据表征加热过程的工作参数确定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由三角形电路至星形电路的转换时间点(tum)根据一个可预设的设置值被确定。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由三角形电路至星形电路的转换时间点(tum)根据可预设的功率因子(cos)确定。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在功率因子cos达到或低于0.80时由三角形电路转接为星形电路。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，从三角形电路至星形电路的转换时间点(tum)根据炉温确定。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据炉温随时间的温度变化由三角形电路转接为星形电路。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，从三角形电路至星形电路的转换时间点(tum)根据炉料温度确定。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，根据炉料温随时间的温度变化从三角形电路转接为星形电路。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，炉在第一加热阶段被加温到一个规定的温度，而在第二加热阶段保持在进行热处理所需的处理温度上。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，借助于继电器(4b，4c)由三角形电路转接为星形电路。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，应用具有相当高的欧姆电阻的加热元件(8a，8b，8c)。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，可调电抗变压器(6)被用作三相电流变压器。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，用于第一和第二加热阶段的加热电压通过改变电抗变压器(6)的设置值进行匹配调节。
14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，在第一加热阶段中施加在加热元件(8a，8b，8c)上的加热电压小于60伏，最好约为50伏，而在第二加热阶段中此加热电压小于35伏，最好约为30伏。
15.如权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，三相电网具有约400伏的电压。
全文摘要
本发明涉及一种用于金属工件热处理炉，尤其是可用于等离子碳化或氮化的真空炉的电加热方法，其中炉的加热元件(8a，8b，8c)被施加加热电压，它产生在连接于三相电网上的三相电流变压器(6)的次级侧，为了能以简单而廉价的方法实现相当小的无功功率成分，建议如下三相电流变压器(6)的初级绕组在第一加热阶段被接成三角形电路，而在第二加热阶段接成星形电路，并且从三角形电路至星形电路的转换时间点根据表征加热过程的工作参数来确定。
文档编号C23C8/36GK1424426SQ0215274
公开日2003年6月18日 申请日期2002年11月27日 优先权日2001年11月28日
发明者卡尔－赫茨·莱姆肯 申请人:艾普森国际有限公司