本發(fā)明涉及用于金屬線、絞合線(strand)、線絲(string)、線材(wire rod)、或條帶(strap)退火的電阻退火爐。

具體地，本發(fā)明是有利地，但不是專門應(yīng)用于直列電阻退火爐，即直接放置在用于制造金屬線或線材的機(jī)器，例如，拉伸機(jī)的出口，在以下描述中將其作為明確參考，但不會(huì)因此而失去一般性。

背景技術(shù)：

適合于與拉伸機(jī)布置成直列的直流電阻退火爐通常包括：至少兩個(gè)，并且具體地三個(gè)電動(dòng)軸，該電動(dòng)軸設(shè)置有相應(yīng)的滑輪并且使電動(dòng)軸機(jī)動(dòng)化以饋送(feed)金屬線、多個(gè)從動(dòng)或機(jī)動(dòng)的傳動(dòng)輥以及機(jī)動(dòng)的出口延伸圈。傳動(dòng)輥和出口延伸圈被布置為限定金屬線的給定路徑，其開始于第一電動(dòng)軸，在另兩個(gè)電動(dòng)軸和傳動(dòng)輥轉(zhuǎn)向并結(jié)束于出口延伸圈。

退火爐包括電氣設(shè)備，用于產(chǎn)生施加在第二電動(dòng)軸和另兩個(gè)電動(dòng)軸之間的直流電壓，即電壓的正電位被施加至第二電動(dòng)軸并且電壓的負(fù)電位被施加至第一電動(dòng)軸和第三電動(dòng)軸兩者。退火處理通過由于在第二電動(dòng)軸和另兩個(gè)(第一和第三)電動(dòng)軸之間的第一金屬線長度的電流通路導(dǎo)致的焦耳效應(yīng)而發(fā)生。

線的路徑被分成：第一預(yù)熱段，從第一電動(dòng)軸前進(jìn)至第二電動(dòng)軸；真正的退火段，從第二電動(dòng)軸前進(jìn)至第三電動(dòng)軸；以及冷卻段，從第三電動(dòng)軸前進(jìn)至出口延伸圈。預(yù)加熱段比退火段更長，使得預(yù)加熱段中的線的溫度低于環(huán)形段中的線的溫度。

施加在退火軸之間的電壓和在線中循環(huán)的對(duì)應(yīng)電流通常被稱為“退火電壓”和“退火電流”，并且通常取決于預(yù)加熱段和退火段的長度，取決于沿著路徑的線的饋送速度和線的截面。具體地，已知的是，通過使用所謂的退火曲線表示退火電壓和線的饋送速度之間的相關(guān)性。根據(jù)退火曲線，所需要的退火電壓隨著饋送速度的增加而增加。此外，一般而言，退火電流隨著線的截面的增加而增加。對(duì)于給定的線的截面值，最大線(wire)速度值由諸如冷卻段的冷卻能力的各個(gè)因素確定。可以得出，速度對(duì)于線的小橫截面可以高，該小橫截面與低退火電流對(duì)應(yīng)，并且因此退火電壓必須高。另一方面，對(duì)于大的橫截面速度必須更低，該大的橫截面與高退火電流相對(duì)應(yīng)，并且因此退火電壓必須更低。

電氣設(shè)備包括三相變壓器，其中初級(jí)電路由三相網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)，例如，400V和50Hz的三相網(wǎng)絡(luò)，以及受控整流器電路，耦接至變壓器的次級(jí)電路以提供退火電壓。為了達(dá)到所需要的退火溫度(幾百攝氏度)，變壓器尺寸形成為供應(yīng)交流電壓至次級(jí)電路，該交流電壓具有按將要獲得的最大退火電壓和最大退火電流的大小順序排列的振幅，最大退火電流取決于退火爐(線路徑長度和線饋送速度)的總體特征和線的截面。例如，變壓器尺寸形成為對(duì)大約1000kVA的功率提供大約70V的交流電壓。

整流器通常由晶閘管橋構(gòu)成(SCR)。退火電壓的調(diào)制通過改變晶閘管的觸發(fā)角獲得。換言之，電壓從最大值開始隨著晶閘管的觸發(fā)角的減少而降低。然而，觸發(fā)角減少了裝置的功率因數(shù)，即增加由設(shè)備與電力網(wǎng)交換的無功功率。高的無功功率產(chǎn)生的電力接合，不能創(chuàng)建有效的工作。此外，控制電力在電力網(wǎng)上的配電的國家管理機(jī)構(gòu)在無功功率超過輸送的有效功率的給定百分比時(shí)通常會(huì)適用處罰。

上述設(shè)備的另一缺點(diǎn)是變壓器的笨重的尺寸，這實(shí)際上對(duì)于其的使用而言過大了，因?yàn)槠鋸牟粚⒆罡唠妷合碌淖畲箅娏魈峁┲链渭?jí)電路。

已知有克服上述裝置的一些缺點(diǎn)的電氣設(shè)備。這些其他設(shè)備與所描述的設(shè)備的不同主要在于其包括具有多個(gè)抽頭點(diǎn)(tap point)在初級(jí)電路上的變壓器。允許最大化整流器的晶閘管的觸發(fā)角并且因此最小化無功功率的初級(jí)電路的抽頭點(diǎn)，根據(jù)將被退火的線的截面來進(jìn)行選擇。然而，具有初級(jí)電路的多個(gè)抽頭點(diǎn)的變壓器同樣過大，并且就一切情況而論更復(fù)雜并且比具有簡單的初級(jí)電路的變壓器成本高。此外，構(gòu)造初級(jí)電路上的抽頭點(diǎn)多于四個(gè)的大尺寸的變壓器(例如，用于次級(jí)電路上的1000kVA的70V)是在經(jīng)濟(jì)上有困難的。

替換使用具有多個(gè)軸頭點(diǎn)的初級(jí)電路的變壓器的已知的架構(gòu)包括簡單的初級(jí)電路變壓器和AC/AC逆變器，該AC/AC逆變器耦接至變壓器的初級(jí)電路以便將初級(jí)電路的電力電壓調(diào)整至更高數(shù)量的水平并且因此相應(yīng)地調(diào)整由次級(jí)電路提供的電壓。這種解決方案允許進(jìn)一步減少無功功率，但保留了與大尺寸的變壓器相關(guān)的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目標(biāo)是制成一種使金屬線退火的電阻退火爐，該爐沒有上述缺點(diǎn)并且同時(shí)容易制成并且成本效益高。

根據(jù)本發(fā)明，提供一種如所附權(quán)利要求中所限定的一種用于金屬線、絞合線、線絲、線材或條帶退火的電阻退火爐。

附圖說明

現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明，該附圖示出了本發(fā)明的非限制性的實(shí)施方式，其中：

-圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明制成的電阻退火爐；

-圖2通過方框圖的方式示出圖1中的爐的退火電壓生成器；

-圖3示出圖2的電壓生成器的各個(gè)中間點(diǎn)的電壓波形；及

-圖4更詳細(xì)地示出圖2的電壓生成器的內(nèi)部級(jí)(inner stage)。

具體實(shí)施方式

在圖1中，參考標(biāo)號(hào)1一般地表示作為一個(gè)整體的直流電阻退火爐，用于使金屬線退火，金屬線由參考標(biāo)號(hào)2表示，例如銅線或鋁線。退火爐1是適合于直列(in-line)插入的類型，即在拉伸機(jī)(未示出)的出口處。線2從拉伸機(jī)出來并且通過在方向3上向前移動(dòng)進(jìn)入退火爐1并且在方向4上從退火爐1退出。

參考圖1，退火爐1包括：三個(gè)電動(dòng)軸5、6和7，該電動(dòng)軸設(shè)置有相應(yīng)的滑輪8、9和10；兩個(gè)傳動(dòng)輥11和12，該傳動(dòng)輥是從動(dòng)的或是機(jī)動(dòng)的并且被布置在前兩個(gè)電動(dòng)軸5和6之間；以及機(jī)動(dòng)的出口延伸圈13。傳動(dòng)輥11和12以及出口延伸圈13被布置成限定線2的給定路徑，開始于電動(dòng)軸5的滑輪8，轉(zhuǎn)過傳動(dòng)輥11和12以及另兩個(gè)電動(dòng)軸6和7的滑輪9和10，并且結(jié)束于出口延伸圈13。線2由出口延伸圈13牽拉沿著這樣的路徑行進(jìn)。有利地，電動(dòng)軸5-7也被機(jī)動(dòng)化以幫助對(duì)線2的牽拉。

退火爐1包括直流電壓生成器14，該直流電壓生成器可以被供應(yīng)交流電壓，并且尤其是由三相電力網(wǎng)15提供的三相電壓Uac，以便產(chǎn)生直流電壓，在附圖中由Uann表示的所謂的“退火電壓”，該退火電壓被施加在電動(dòng)軸6與兩個(gè)電動(dòng)軸5和7之間。換言之，電壓Uann的正電位被施加至電動(dòng)軸6并且電壓Uann的負(fù)電位被施加至另兩個(gè)電動(dòng)軸5和7。因?yàn)殡妱?dòng)軸6與兩個(gè)電動(dòng)軸5和7之間的線長度的電流的通路，退火處理通過焦耳效應(yīng)來進(jìn)行。

線2的路徑被分成：預(yù)加熱段，由參考標(biāo)號(hào)16表示并且從電動(dòng)軸6穿過傳動(dòng)輥11和12而行進(jìn)至電動(dòng)軸5；真正的退火段，由參考標(biāo)號(hào)17表示并且從電動(dòng)軸6行進(jìn)至電動(dòng)軸7；以及冷卻和干燥段，由參考標(biāo)號(hào)18表示并且從電動(dòng)軸7行進(jìn)至出口延伸圈13。在所考慮的實(shí)例的情況下，線2由銅或鋁制成，預(yù)加熱段16比退火段17更長，使得，比沿著線2的段17的部分中循環(huán)的電流Iann更低的電流Iprh，在沿著線2的段16的部分中循環(huán)，線2的截面是相同的。以這種方式，段16中的線2的溫度將比段17中的線2的溫度低。冷卻和干燥段18穿過充滿冷卻液的容器并且設(shè)置有干燥裝置，容器和干燥裝置本身是已知的并且因此未示出。

參考圖2，根據(jù)本發(fā)明，電壓生成器14包括：輸入電壓整流器級(jí)19，具有輸入端通過由三相電壓Uac供電的三相線或總線25的方式連接至三相電力網(wǎng)15，并且輸入電壓整流器級(jí)19適用于提供由Udc表示的中間直流電壓；中間脈寬調(diào)制級(jí)20，或者更簡單地PWM調(diào)制器級(jí)，以便將中間電壓Udc變換成由Uml表示的第一PWM電壓，該第一PWM電壓具有零平均值和基本等于中間電壓Udc的振幅；高頻變壓器21，具有高于1的變壓比以將電壓Uml變換成由Um2表示的相應(yīng)的第二PWM電壓，但是該第二PWM電壓具有除零以外的平均值和比電壓Uml的振幅更小的振幅；輸出電壓整流器級(jí)22，用于將電壓Um2變換成退火電壓Uann；以及三相有源電力濾波器(APF)23，為了簡單在下文中被稱為有源濾波器，在內(nèi)部三相電線25的點(diǎn)24并聯(lián)連接至內(nèi)部三相電線。

圖3以定性的方式并且僅通過實(shí)例示出了各種電壓Uac、Udc、Uml、Um2和Uann的波形。

整流器級(jí)19是無源非受控類型，并且尤其是包括三相整流二極管橋和低通濾波器LC。通過舉例的方式，假定三相電壓Uac是400V和50Hz，整流器級(jí)19提供中間電壓Udc，該中間電壓Udc大約包括在530V和540V之間，從而將具有確定了功率因數(shù)低于0.8的無功分量的三相電流iL施加在三相線25上。

本身是已知的，并且因此未詳細(xì)示出的有源濾波器23具有減少使輸入至整流器級(jí)19的三相電流iL失真的電流諧波的功能。這樣的電流諧波由PWM調(diào)制級(jí)20生產(chǎn)，該P(yáng)WM調(diào)制級(jí)是整流級(jí)19的負(fù)載。換言之，有源濾波器23的功能是增加從三相電力網(wǎng)15來看的功率因數(shù)。有源濾波器23包括：受控的三相橋，包括多個(gè)IGBT裝置；LC濾波器，連接在三相橋的上游；多個(gè)電容器，作為三相橋的負(fù)載連接；以及控制單元，控制三相橋。

在有源濾波器23的連接點(diǎn)24的上游連接至三相線25電壓傳感器26的三元組(triad)與有源濾波器23相結(jié)合以測量三相電壓Uac，并且電流傳感器27的三元組在有源濾波器23的連接點(diǎn)24的下游耦接至三相線25以測量三相電流iL。有源濾波器23的控制單元根據(jù)由傳感器26和27提供的信號(hào)，即根據(jù)通過傳感器26和27測量的電壓和電流，控制三相橋使得有源濾波器23從三相線25汲取已添加至三相電流iL的三相電流iC，從而將沒有失真并且因此基本正弦波的三相電流iS外加(impress)至三相電力網(wǎng)15上。換言之，有源濾波器23在整流器級(jí)19的輸入端處將基本補(bǔ)償電流諧波的電流諧波引入三相線25中。有源濾波器23允許獲得功率因數(shù)，從三相電力網(wǎng)15來看該功率因數(shù)大于0.95。

參照?qǐng)D4，PWM調(diào)制級(jí)20包括由中間電壓Udc供電的電子開關(guān)裝置的橋H 31，并且尤其是IGBT裝置的橋，以及控制器32，該控制器被配置為控制橋H 31以產(chǎn)生電壓Uml并且以以下方式調(diào)制電壓Uml的脈寬：與由在圖2和5中的Vw表示的線2的當(dāng)前饋送速度與饋送速度的最大值和最小值之間的差值的比例相關(guān)。線2的饋送速度的最大值和最小值取決于退火爐1的特征。電壓頻率Uml是根據(jù)IGBT裝置和變壓器21的性能而預(yù)定的。

每個(gè)速度Vw的值與期望的退火電壓相對(duì)應(yīng)，在下文中稱為“退火設(shè)定點(diǎn)”Uref。退火電壓可以通過將線2的饋送速度的平方根與常數(shù)K相乘來計(jì)算，該常數(shù)K取決于退火爐1的總體特征并且可以根據(jù)已知的技術(shù)確定?？刂破?2接收來自外部裝置33的線2的速度Vw，例如連接至退火爐1的入口的拉伸機(jī)的控制單元或者耦接至以線2的速度旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件(傳動(dòng)輥11、12，電動(dòng)軸5、6、7或者延伸圈13)中的一個(gè)的速度獲取單元?？刂破?2被配置為將速度Vw的平方根與常數(shù)K相乘來計(jì)算退火設(shè)定點(diǎn)Uref。所以，退火設(shè)定點(diǎn)Uref在最小值Urefmin和最大值Urefmax之間變化。

更詳細(xì)地，控制器32通過調(diào)整調(diào)整傳導(dǎo)偏移(conduction offset)，即橋H 31的一側(cè)(一半)相對(duì)于另一側(cè)的傳導(dǎo)延遲來控制橋H 31，傳導(dǎo)偏移與退火設(shè)定點(diǎn)Uref與Urefmin和Urefmax的差值之間的比例成比例。因此，調(diào)制信號(hào)Uml具有根據(jù)由控制器32設(shè)置的傳導(dǎo)延遲在0和0.5之間變化的占空比。具體地，最小值Urefmin與等于0的占空比相對(duì)應(yīng)并且最大值Urefmax與等于0.5的占空比相對(duì)應(yīng)(具有零平均值的矩形波)。

控制器32包括電壓測量裝置，該電壓測量裝置包括連接至無源整流器級(jí)22的出口的A/D轉(zhuǎn)換器34以便根據(jù)已知的技術(shù)測量退火電壓值Uann。控制器32還根據(jù)退火電壓Uann的測量值通過調(diào)整傳導(dǎo)偏移來控制橋H 31使得退火電壓Uann追隨退火設(shè)定點(diǎn)Uref。實(shí)際上，退火過程中，在線2中循環(huán)的電流根據(jù)線2的材料的加工硬化態(tài)以及線2和滑輪8-10之間的接觸質(zhì)量來變化。

變壓器21是單相、高頻電力變壓器，即能夠在高于5kHz的頻率下操作。這里允許編程PWM調(diào)制級(jí)20使得其產(chǎn)生高于5kHz的頻率下的電壓Uml，并且優(yōu)選地，等于8kHz。

此外，變壓器21具有以中央零(central zero)繞組的次級(jí)電路，以便將具有零平均值的電壓Uml變換成具有非零平均電壓的電壓Um2，并且具有根據(jù)中間電壓Udc和最大值Urefmax預(yù)定的額定變壓比。假定最大值Urefmax等于100V，從而允許在線2大范圍的截面值和線2的大范圍的饋送速度下退火，并且假定中間電壓等于600V，則額定變壓比等于6。

上述變壓器21要小得多，并且因此使用的材料相同的情況下，用于產(chǎn)生退火電壓的已知的電氣設(shè)備的變壓器的成本更高。

整流器級(jí)22是非受控制的、無源類型的，并且尤其是包括兩個(gè)二極管，每個(gè)二極管與變壓器21的次級(jí)電路的各一半相關(guān)聯(lián)以便作為半波整流器操作，以及低通濾波器LC，連接在二極管的下游。

值得注意的是，電壓生成器14不限于在用于線的直列的電阻退火爐中使用，而且還適合于在用于直列地或者非直列地(off-line)(即作為簡單的一束(skein)卷繞地或者繞線圈或金屬或紙板滾筒卷繞地饋送)饋送的金屬鉸合線、線絲、線材或條帶的電阻退火爐中使用。

此外，電壓生成器14一般還可以在僅具有兩個(gè)電動(dòng)軸的退火爐1中使用，即沒有線、絞合線、線絲、線材或金屬條帶的預(yù)加熱段。

上述退火爐1的主要優(yōu)勢是借助于放置在電壓生成器14的入口處的三相線25上的有源濾波器23的存在，最小化與三相電力網(wǎng)15交換的無功功率。此外，退火爐1可以借助于連接在有源供應(yīng)級(jí)19和變壓器21之間的PWM調(diào)制器20的存在，容易的配置用于退火金屬線、鉸合線、線絲、線材或條帶，其中該金屬線、鉸合線、線絲、線材或條帶可具有大范圍的值的截面變化和大范圍的饋送速度的變化。最后，高頻單相變壓器21與通常用于已知的退火爐中的50Hz三相變壓器相比，顯著更緊湊并且成本效益更高。