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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Hochfrequenz-Impulsoszillator
und insbesondere auf einen Hochfrequenz-Impulsoszillator, der angepasst
ist, um Impulsströme
zur Verfügung
zu stellen, die eine hohe Frequenz und eine hohe Amplitude aufweisen,
damit metallische Materialien zur Erleichterung der Verarbeitung
oder zur Schließung
von in metallischen Teilen gebildeten Mikrorissen, damit deren mechanische
Eigenschaften wieder hergestellt werden, in einen plastischen Zustand überführt werden.
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Hintergrund
der Erfindung
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Metallarbeiten
("metal works") (insbesondere Walzverfahren),
in denen ein Hochfrequenz-Impulsoszillator der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden kann, werden im Folgenden diskutiert. Walzen bezieht
sich auf ein Verfahren, das durch Zusammenpressen und Hindurchdrücken der
Materialien eine plastische Verformung von metallischen Materialien
zwischen Arbeitswalzen hervorruft. Walzen ist eine Art der plastischen
Verarbeitung („plastic
processing"), bei
der die Produktionsgeschwindigkeit hoch ist und die Maßgenauigkeit
mit Leichtigkeit gesteuert werden kann. Da das Walzen relativ geringe Herstellungskosten
erfordert und Produkte bereitstellt, die eine einheitlichere Maßgenauigkeit
und Qualität
als beim Formpressen („molding") oder Abgießen („casting") haben, wird es
am meisten benutzt. In einem Walzverfahren erfahren die zu verarbeitenden
Materialien eine zusammenpressende Spannung ("compressive stress"), die durch die zusammenpressende Kraft
der Walzen bewirkt wird, wenn sie durch die Walzen hindurch treten,
und weiterhin eine Scherspannung („shear stress") an den Grenzflächen mit
den Walzen. Die Scherspannung wirkt, um die Materialien durch die
Walzen zu schieben bzw. zu stoßen
("thrust").
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Es
gibt im Wesentlichen zwei Arten von Walzverfahren, das sind heißes Walzen
und kaltes Walzen. Kaltes Walzen bezieht sich auf ein Walzen der
zu verarbeitenden Materialien, z. B. von Blöcken („ingots"), bei einer normalen Temperatur und
wird zur Bereitstellung solcher Materialien wie z. B. Bleche, Streifen
und Folien verwendet, die eine hohe Stärke und eine gute Maßgenauigkeit
aufweisen. Auf der anderen Seite bezieht sich heißes Walzen
auf ein Walzen metallischer Materialien, nachdem mit einem Heizofen
Hitze aufgewandt wurde. Im Allgemeinen werden durch heißes Walzen
Blöcke
zu Blüten ("blooms") oder Barren ("billets") verarbeitet und
diese werden weiter zu Tafeln, Blechen, Barren, Rohren und Gleisen
verarbeitet.
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Da
kaltes Walzen bei normaler Temperatur durchgeführt wird, ist es vorteilhaft,
da es keine Notwendigkeit für
irgendwelche speziellen Ausrüstungen zum
Erhitzen von Materialien wie z. B. Streifen gibt. Jedoch erfordert
kaltes Walzen im Allgemeinen ein Temperverfahren („annealing
process"). Daher
wird die gesamte Zeit für
das Walzverfahren verlängert, während die
Produktivität
herabgesetzt wird.
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Beim
heißen
Walzen wird ein Metallstreifen in einem Heizofen erhitzt und dann
einer Walzvorrichtung zugeführt.
Es ist von äußerster
Bedeutung, den Metallstreifen vor dem Walzen auf eine vorbestimmte
Temperatur zu erhitzen. D. h., wenn die Heiztemperatur wesentlich
kleiner als die vorbestimmte Temperatur ist, können verschiedene Probleme
auftreten (z. B., die Schwierigkeit, das Walzen durchzuführen, auf
die Walzvorrichtung werden übertrieben
hohe Belastungen ausgeübt,
und gewünschte
Eigenschaften können
für den
gewalzten Streifen nicht erhalten werden). Wenn jedoch eine übertrieben
hohe Temperatur als Heiztemperatur eingestellt wird (wobei zu berücksichtigen
ist, dass die Temperatur während
der Übertragung
des erhitzten Metallstreifens auf die Walzvorrichtung abnimmt),
dann gibt es eine Zunahme der Oxidation des Metallstreifens. Daher
nehmen die resultierenden Energiekosten unvermeidlich zu und können sogar
bedrückend
werden. Unter diesen Umständen
ist es beim heißen Walzen
ratsam, die Metallstreifen so nahe wie möglich zu den Arbeitswalzen
zu erhitzen. Zu diesem Zweck ist es einleuchtend, eine Heizungsmethode vom
Typ der Hochfrequenz-Induktion und eine elektrische Heizungsmethode
zu verwenden.
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Jedoch
ist eine Heizungsvorrichtung auf der Basis der Hochfrequenz-Induktion
im Allgemeinen kompliziert, teuer und verbraucht zu viel Energie.
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Auf
der anderen Seite werden bei der elektrischen Heizungsmethode die
Arbeitswalzen und der Metallstreifen aufgrund ihres jeweiligen elektrischen Widerstands
erhitzt, wenn den oberen/unteren Walzen und dem Streifen von einer
Spannungsquelle Gleichströme
zugeführt
werden. Daher neigen deren Temperaturen dazu, anzusteigen. Ein Beispiel
für eine
Walzvorrichtung vom elektrisch beheizten Typ ist in der Japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. 1998–180
317 offenbart. Jedoch verbraucht die Walzvorrichtung vom elektrisch
beheizten Typ gemäß dem Stand
der Technik zu viel Energie. Wenn beispielsweise ein Stahlstreifen
mit einer Breite von 100 mm und einer Dicke von 2 mm (d. h., einer
Querschnittsfläche
von 2 cm2) während einer elektrischen Beheizung
gewalzt wird, um eine Dicke von 0.25 ~ 0.3 mm zu haben, ist eine
Stromdichte von ungefähr 104 A/cm2 erforderlich.
Wenn ein Gleichstrom angewandt wird, erreicht die Stromstärke einen
Wert von 20 kA, was sich durch Multiplikation der Stromdichte mit
der Querschnittsfläche
des zu walzenden Streifens ergibt. Zusätzlich zu einem derartig übertriebenen
Energieverbrauch wird der Stahlstreifen auf eine Temperatur im Bereich
von 400 °C
bis 500 °C
erhitzt, was auf der Streifenoberfläche eine Oxidation und Entfärbung bewirkt.
Da außerdem
die Arbeitswalzen in den elektrischen Stromkreis eingeschlossen
sind, kann die Lebensdauer der Arbeitswalzen aufgrund elektrischer
Korrosion verkürzt
sein. Außerdem
wird zusätzlich
eine Kühlvorrichtung
benötigt,
die verhindert, dass die Arbeitswalzen aufgrund der Hitzeübertragung
vom Stahlstreifen beschädigt
werden. Schließlich
können
in der Umgebung des Betriebsgeländes
für die
Herstellung nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt auftreten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Hochfrequenz-Impulsoszillator
und insbesondere auf einen Hochfrequenz-Impulsoszillator, der angepasst
ist, um Impulsströme
bereitzustellen, die eine hohe Frequenz und eine große Amplitude
haben, um metallische Materialien zur Erleichterung der Verarbeitung
oder zur Schließung von
in metallischen Teilen gebildeten Mikrorissen, damit deren mechanische
Eigenschaften wieder hergestellt werden, in einen plastischen Zustand
zu überführen.
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Der
Hochfrequenz-Impulsoszillator der vorliegenden Erfindung umfasst:
einen steuerbaren Gleichrichter zur Gleichrichtung von Wechselströmen, die
von einer Stromquelle geliefert werden, um Ströme mit einer vorbestimmten
Wellenform auszugeben ("to
output"); eine Umschaltungssektion
("switching section"), die einen oder
mehrere Umschaltblöcke
umfasst und aus diesen Strömen
mit der vorbestimmten Wellenform Impulsströme mit einer gewünschten
Amplitude und Frequenz erzeugt, worin besagter einer oder mehrere
Umschaltblöcke
verbunden sind, so dass die Amplitude der besagten Impulsströme erhöht ist;
und ein Steuerungssystem zur Erzeugung von ersten und zweiten Steuerimpulsen, worin
der besagte erste Steuerimpuls dem besagten steuerbaren Gleichrichter
zugeführt
wird, um das Gleichrichten der besagten Wechselströme zu steuern
und der besagte zweite Steuerimpuls dem besagten einen oder mehreren
Umschaltblöcken
zugeführt wird,
um die besagten Ströme
mit der vorbestimmten Wellenform zu steuern, dass diese in die besagten Impulsströme mit der
gewünschten
Amplitude und Frequenz übergeführt werden.
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Das
Steuerungssystem kann umfassen: ein Impuls-Phasensteuerungssystem
zur Erzeugung des besagten ersten Steuerimpulses; einen spannungsgesteuerten
Oszillator ("voltage-controlled
oscillator" (VCO))
zur Erzeugung des besagten zweiten Steuerimpulses; eine Schutz/Automations-Einheit
zur Steuerung des besagten Impuls-Phasensteuerungsystems und des
besagten spannungsgesteuerten Oszillators in Übereinstimmung mit den START-, STOP-
und RESET-Signalen, um die Operation der Erzeugung von besagten
Impulsströmen
zu starten, zu beenden und zurückzusetzen;
und eine Spannungsversorgungs/Synchronisations-Einheit zur Bereitstellung
einer stabilen Spannungsquelle, welche die besagten Wechselströme, die
von der besagten Stromquelle geliefert werden, benutzt und Signale
erzeugt, um das besagte Impuls-Phasensteuerungssystem zu synchronisieren.
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Wenn
sie ein START-Signal erhält,
kann die besagte Schutz/Automations-Einheit ein SWITCH-ON-Signal
für den
besagten spannungsgesteuerten Oszillator erzeugen und das besagte
Impuls-Phasensteuerungssystem anweisen, die Blockade des besagten
ersten Steuerimpulses aufzuheben. Wenn es besagtes STOP-Signal empfängt oder ein Überschreiten
der Strombegrenzungen des besagten Hochfrequenz-Impulsoszillators erkennt, kann die
Schutz/Automations-Einheit aufhören,
das besagte SWITCH-ON-Signal an den besagten spannungsgeregelten
Oszillator zu schicken. Es kann dann das besagte Impuls-Phasensteuerungssystem anweisen,
den besagten ersten Steuerimpuls zu blockieren und den besagten
steuerbaren Gleichrichter zu invertieren. Wenn es besagtes RESET-Signal
erhält,
kann die besagte Schutz/Automations-Einheit die Erzeugung des besagten
SWITCH-ON-Signals nur
annehmen, nachdem bestätigt
wurde, dass die besagte Strombegrenzung nicht überschritten wurde und die
besagte Stromquelle völlig
entladen ist.
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Das
Steuerungssystem kann weiterhin eine entfernte oder lokale Steuertafel
(„control
panel") zur Erzeugung
von Signalen umfassen, um die Operation der Erzeugung der besagten
Impulsströme
und Signale zu starten, zu beenden oder zurückzusetzen, um die Frequenz
und Amplitude des besagten Impulsstromes festzulegen oder zu ändern. Das
Steuerungssystem kann auch einen Wählschalter ("selector") zum selektiven
Empfang der besagten Signale von entweder besagter entfernter oder
lokaler Steuertafel gemäß dem LOCAL/REMOTE-Signal
von besagter lokaler Steuertafel umfassen.
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Der
steuerbare Gleichrichter kann ein steuerbarer Dreiphasengleichrichter
sein, der einen Thyristor umfasst. In diesem Fall kann der besagte
erste Steuerimpuls auf eine Steuerelektrode des besagten Thyristors
angewandt werden.
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Die
Umschaltungssektion kann umfassen: einen Stromsensor zur Messung
von Strömen
in dem Verbraucher ("in
the load"), zu dem
die besagten Impulsströme
geliefert werden; einen Impulsübertrager („pulse
transformer"), der
bewirkt, dass die besagten Impulsströme die gewünschte Amplitude aufweisen; und
einen umschaltenden Thyristor („switching thyristor"), der bewirkt, dass
die besagten Impulsströme die
gewünschte
Frequenz aufweisen. In diesem Fall kann das besagte Steuerungssystem
die Messungen der Ströme
in besagtem Verbraucher vom besagten Stromsensor erhalten.
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In
dem Fall, dass der obige Hochfrequenz-Oszillator in einer Walzstraße ("rolling mill") angewandt wird,
stellt der Hochfrequenz-Impulsoszillator einzelne Impulsströme bereit,
um zu verhindern, dass die Temperatur der Materialien aufgrund der kontinuierlichen
Zufuhr von Energie übertrieben
erhöht
wird, während
im Stand der Technik auf die oberen/unteren Arbeitswalzen und metallischen
Materialien kontinuierliche Gleichströme angewandt werden. Da außerdem die
oberen/unteren Arbeitswalzen nicht in den elektrischen Stromkreis
eingeschlossen sein müssen
und die Impulsströme
unter Verwendung von getrennten Kontaktenden („contact terminals" (z. B. aus einem
Bündel
von Kupferdrähten
gebildet) für
den Verbraucher direkt zu den Materialien geliefert werden, ist
die Lebensdauer der Arbeitswalzen nicht verringert und die Korrosionsbeständigkeit der
Arbeitswalzen ist nicht herabgesetzt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
obigen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, die in Verbindung
mit den begleitenden Zeichnungen gegeben wird, verdeutlicht.
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1 ist
ein schematisches Diagramm, das die grundlegenden Komponenten und
deren Anschlüsse
in dem Hochfrequenz-Impulsoszillator zeigt, der in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gebaut wurde.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
für eine Umschaltungssektion
des gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruierten Hochfrequenz-Impulsoszillators.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
für eine Umschaltungssektion,
in der die Umschaltblöcke
von 2 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung parallel verbunden sind.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
für eine Umschaltungssektion,
in der die Umschaltblöcke
in 2 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung in Reihe verbunden sind.
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5 zeigt
ein Blockdiagramm, das das Steuerungssystem des in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruierten Hochfrequenz-Impulsoszillators
illustriert.
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6 zeigt
Auftragungen, welche die Wellenformen der Komponenten des in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruierten Hochfrequenz-Oszillators illustrieren.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Es
wird leicht verstanden, dass die Komponenten der vorliegenden Erfindung,
wie sie im Allgemeinen hierin in den Figuren und dem begleitenden Text
beschrieben und illustriert sind, in einer Vielzahl von verschiedenen
Konfigurationen arrangiert und konstruiert werden können, während sie
immer noch das vorliegende erfinderische Konzept benutzen. Daher
beabsichtigt die folgende detaillierte Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen
für den Hochfrequenz-Impulsoszillator
der vorliegenden Erfindung, wie er in den 1 bis 6 und
dem begleitenden Text beschrieben ist, nicht, den Umfang der beanspruchten
Erfindung zu begrenzen, sondern ist lediglich repräsentativ
für die
gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung. Die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden am besten unter Verweis auf die Zeichnungen
verstanden, in denen gleiche Teile oder Schritte durchgehend mit
gleichen Nummern bezeichnet sind.
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1 ist
ein schematisches Diagramm, das die grundlegenden Komponenten und
deren Anschlüsse
im Hochfrequenz-Impulsoszillator illustriert, der in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, umfasst der Hochfrequenz-Impulsoszillator 100:
ein Steuerungssystem 500 zur Verarbeitung von Anweisungen,
die Operation der Erzeugung von Impulsströmen zu starten, zu beenden
und zurückzusetzen,
und zur Steuerung von Anpassungen ("adjustments") der Amplitude und der Frequenz der
erzeugten Impulsströme;
einen steuerbaren Gleichrichter 150 zur Gleichrichtung von
Wechselströmen,
die von einer Stromquelle 250 geliefert werden, die in Übereinstimmung
mit einem Steuersignal vom Steuerungssystem 500 ist, um Ströme mit einer
vorbestimmten Wellenform auszugeben; und eine Umschaltungssektion 200 zur
Erzeugung von Impulsströmen
mit einer gewünschten Amplitude
und Frequenz ausgehend von den vom Gleichrichter 150 ausgegebenen
Strömen.
Die erzeugten Impulsströme
werden zu einem Verbraucher Rload geführt. Das
Steuerungssystem 500 und die Umschaltungssektion 200 sind
mit einer üblichen Stromquelle 250 verbunden,
die vorzugsweise Wechselströme
mit einer Amplitude von 380–690
V und einer Frequenz von 50–60
Hz bereitstellt.
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Das
Steuerungssystem 500 kann mit einer Steuerelektrode und
einer Anode eines schaltenden Thyristors verbunden sein, der in
der Umschaltungssektion 200 enthalten ist, um ein Steuersignal
zur Steuerung des umschaltenden Thyristors bereitzustellen. Außerdem empfängt das
Steuerungssystem 500 Messungen der Ströme in dem Verbraucher Rload, der mit der Umschaltungssektion 200 verbunden
ist, um in Übereinstimmung
mit den Messungen die Operationen des Hochfrequenzimpuls-Oszillators 100 zu
steuern. Das Steuerungssystem 500 erzeugt START-, STOP-
und RESET-Signale, um die Operation der Erzeugung von Impulsströmen jeweils
zu starten, zu beenden und zurückzusetzen.
Es erzeugt auch Fsetup- und Isetup-Signale,
um auf der Grundlage der Anweisungen, die ein Benutzer über eine
entfernte oder lokale Steuertafel („control panel") gibt, die gewünschte Frequenz
und Amplitude der erzeugten Impulsströme anzuzeigen. In Übereinstimmung
mit jenen Signalen initiiert oder unterbricht das Steuerungssystem 500 die
Erzeugung von Impulsströmen und
steuert die Umschaltungssektion 200 und den Gleichrichter 150,
so dass die zu dem Verbraucher Rload gelieferten
Impulsströme
die gewünschte
Amplitude und Frequenz haben können.
Der spezifische Aufbau des Steuerungssystems 500 wird unten
in Hinblick auf 5 beschrieben.
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Der
steuerbare Gleichrichter 150 kann ein Dreiphasen-Gleichrichter
sein, der einen Thyristor UV umfasst. In diesem Fall kann das Steuerungssystem 500 mit
einer Steuerelektrode des Thyristors UV verbunden sein, um ein Steuersignal
(einen ersten Steuerimpuls) zur Steuerung des Thyristors UV bereitzustellen.
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Die
Umschaltungssektion 200 erzeugt aus den vom steuerbaren
Gleichrichter 150 ausgegebenen Strömen Impulsströme, die
eine erwünschte
Amplitude und Frequenz haben, was in Übereinstimmung mit einem Steuersignal
(einem zweiten Steuerimpuls) vom Steuerungssystem 500 ist,
und stellt dem Verbraucher Rload die erzeugten
Impulsströme zur
Verfügung.
Ein Beispiel für
seinen spezifischen Aufbau ist in 2 illustriert,
zusammen mit dem Gleichrichter 150 und dem Steuerungssystem 500.
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Wie
es in 2 gezeigt ist, umfasst die Umschaltungssektion 200:
einen Stromsensor DT zu Messung der Ströme in dem Verbraucher Rload; einen Impulsübertrager PT, der bewirkt,
dass die dem Verbraucher Rload gelieferten
Impulsströme
die gewünschte
Amplitude haben; und einen umschaltenden Thyristor VS zur Einstellung
der Frequenz der Impulsströme,
basierend auf dem Steuersignal aus dem Steuerungssystem 500.
Die Umschaltungssektion 200 umfasst weiterhin: einen Kondensator
C zur Ladung und Entladung von Strömen während der Operation der Erzeugung
von Impulsströmen;
eine glättende
Drossel („smoothing
reactor") SR zur
Begrenzung der Ströme,
welche den Kondensator C aufladen; eine entladende Diode VD0 zur
Gleichrichtung der Ströme,
die aus dem Kondensator C durch den Impulsübertrager PT abfließen, bevor
sie die Ströme
zu dem Verbraucher Rload liefern; und eine erste
umschaltende Drossel („first
switching reactor") KR1
und eine Ausgangsdiode („output
diode") VDB, die
parallel mit dem umschaltenden Thyristor VS verbunden sind, wodurch
bewirkt wird, dass der umschaltende Thyristor VS nach der Entladung
des Kondensators C eine Umkehrspannung („inverse voltage") aufweist. Die Umschaltungssektion 200 ist über erste
und zweite Ausgangskontakte ("output contacts"), die jeweils aus
einem Bündel
von Kupferdrähten
gebildet sein können,
mit dem Verbraucher Rload verbunden.
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Unter
Bezugnahme auf 2 werden unten die spezifischen
Verbindungen zwischen den Komponenten der Umschaltungssektion 200 beschrieben.
Was den Impulsübertrager
PT anbelangt, ist ein erster Eingang auf dem oberen Ende einer Primärseite eines
Transformators, die sich auf der linken Seite des Impulsübertragers befindet,
mit der ersten umschaltenden Drossel KR1 und dem umschaltenden Thyristor
VS verbunden. Weiterhin ist ein zweiter Eingang am unteren Ende
der ersten Wicklung mit einem unteren (zweiten) Pol des Kondensators
C und einem unteren (zweiten) Ausgangsende („output terminal") des Gleichrichters 150 verbunden.
Ein erster Ausgang („output") auf dem oberen
Ende einer sekundären
Wicklung, die auf der rechten Seite des Impulsübertragers PT ist, ist über die
Ausgangsdiode („output
diode") VDB mit
dem ersten Ausgangskontakt („first
output contact") 210 verbunden.
Außerdem ist
ein zweiter Ausgang am unteren Ende der sekundären Wicklung über eine
primäre
Wicklung des Stromsensors DT mit dem zweiten Ausgangskontakt 220 verbunden.
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Die
Verbindung zwischen dem Gleichrichter 150 und der Umschaltungssektion 200 wird
im Folgenden beschrieben. Ein oberes (erstes) Ausgangsende ("output terminal") des steuerbaren
Gleichrichters 150 ist über
die glättende
Drossel SR mit einem oberen (ersten) Pol des Kondensators C verbunden und
auch mit gegenüber
liegenden Eingängen
des umschaltenden Thyristors VS und der entladenden Diode VD0 (ein
Ausgang der entladenden Diode VD0 ist mit der ersten umschaltenden
Drossel („first
switching reactor")
KR1 verbunden). Das zweite Ausgangsende ist mit dem zweiten Pol
des Kondensators C und dem zweiten Eingang der primären Wicklung
des Impulsübertragers
PT verbunden.
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Wenn
indessen der Arbeitsstrom niedrig ist oder der Widerstand des Verbrauchers
groß ist
(z. B. kann der Widerstand sehr groß sein, wenn der Verbraucher
nicht angeschlossen ist), kann die Umschaltungssektion 200 weiterhin
eine zweite umschaltende Drossel („switching reactor") KR2 umfassen, wie
z. B. eine Drosselspule. Die zweite umschaltende Drossel KR2 ist
parallel mit den Ausgängen
der sekundären Wicklung
des Impulsübertragers
PT verbunden. Die Ströme
in dem Verbraucher Rload werden unter Verwendung
des Stromsensors DT gemessen.
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Obwohl
die oben beschriebene Umschaltungssektion 200 einen einzigen
Block umfasst (d. h., einen Umschaltblock („switching block")), kann die Umschaltungssektion
eine Vielzahl von Umschaltblöcken
umfassen. In diesem Fall werden die Ströme über eine Vielzahl von Kondensatoren
(d. h. eine Kondensatorbank) geladen und entladen und die Menge
der geladenen Ströme
wächst
an. Außerdem ist
die Anzahl der Impulsübertrager,
durch welche der Strom abgeleitet wird, erhöht. Daher kann die maximale
Amplitude der Impulsströme,
die vom Hochfrequenz-Impulsoszillator 100 erzeugt werden,
erhöht werden.
Bei diesem Aufbau kann die Vielzahl der Umschaltblöcke parallel
oder in Reihe verbunden sein. Beispiele, bei denen n Blöcke parallel
oder in Reihe verbunden sind, sind jeweils in den 3 und 4 illustriert.
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Unter
Bezugnahme auf 3 sind die Umschaltblöcke, welche
die gleiche Konfiguration haben, wie sie in 2 gezeigt
ist, n Male parallel verbunden. Das erste und das zweite Ausgangsende des
Gleichrichters 150 sind jeweils parallel mit den Eingängen an
den linken Enden der glättenden
Drosseln (SR1-SRn) und den zweiten Polen an den unteren Enden der
Kondensatoren (C1-Cn) in den Umschaltblöcken verbunden. Die Ausgangsenden
an den rechten Enden der Ausgangsdioden (VDB1-VDBn) und den Ausgangsenden der primären Wicklungen
der Stromsensoren (DT1-DTn)
in den Umschaltblöcken
sind jeweils parallel mit den ersten und zweiten Ausgangskontakten 210, 220 verbunden.
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4 illustriert
eine Umschaltungssektion 200, in der n Umschaltblöcke in Reihe
miteinander verbunden sind. D. h., ein erstes Ausgangsende einer
sekundären Wicklung
des Impulsüberträgers PTn in
dem n-ten Umschaltblock ist über
die Ausgangsdiode VDB mit dem ersten Ausgangskontakt 210 verbunden.
Weiterhin ist ein zweites Ausgangsende einer sekundären Wicklung
des Impulsüberträgers PT1 im
ersten Umschaltblock über
die primäre
Wicklung des Stromsensors DT mit dem zweiten Ausgangskontakt 220 verbunden.
Erste Ausgangsenden von sekundären
Wicklungen der Impulsüberträger PT1-PTn-1
in dem 1. bis zu dem (n-1)-ten Umschaltblock sind jeweils mit zweiten
Ausgangsenden von sekundären
Wicklungen der Impulsüberträger PT2-PTn
in dem 2-ten bis zu dem n-ten Umschaltblock verbunden.
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Wie
es oben diskutiert ist, kann über
Reihenschaltung oder Parallelschaltung (oder die Kombination der
beiden) die maximale Amplitude der zu dem Verbraucher Rload gelieferten
Impulsströme
erhöht werden.
Anstelle der Verwendung eines einzelnen Gleichrichters kann jeder
der Umschaltblöcke
erforderlichenfalls mit einem individuellen steuerbaren Gleichrichter
ausgerüstet
sein.
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Unter
Bezugnahme auf 5 wird unten der Aufbau des
Steuerungssystems 500, das oben genannt wird, in größerem Detail
beschrieben.
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5 zeigt
ein Blockdiagramm, das ein Steuerungssystem 500 des Hochfrequenz-Impulsoszillators
illustriert, der mit der in den 1–4 gezeigten
Umschaltungssektion 200 verbunden ist. Das Steuerungssystem 500 umfasst:
eine Spannungsversorgungs/Synchronisations-Einheit zur Bereitstellung
einer stabilen Spannungsquelle für
alle Komponenten des Steuerungssystems 500 und zur Erzeugung
eines Signals Usynch, um das Impuls-Phasensteuerungssystem 502 zu
synchronisieren; ein Impuls-Phasensteuerungssystem zur Erzeugung
eines Signals (eines ersten Steuerimpulses) zur Steuerung des Gleichrichters 150,
um die Parameter der erzeugten Impulsströme wie gewünscht einzustellen und zu stabilisieren;
entfernte und lokale Steuertafeln 503, 504 zur
Erzeugung von START-, STOP-, RESET-, Fsetup- und Isetup-Signalen,
um die Operation der Erzeugung der Impulsströme zu steuern und die Frequenz
und die Amplitude der Impulsströme
festzulegen; einen Wählschalter
(„selector") 505, um
selektiv in Übereinstimmung
mit dem LOCAL/REMOTE-Signal von der lokalen Steuertafel 503 diese
Signale von entweder der entfernten oder der lokalen Steuertafel zu
erhalten; eine Schutz/Automations-Einheit 506 zur Steuerung
des Impuls-Phasensteuerungssystems 502 und des spannungsgesteuerten
Oszillators 507 in Übereinstimmung
mit den Signalen vom Wählschalter 505;
einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 507 zur Erzeugung
eines Signals (ein zweiter Steuerimpuls) zur Steuerung der schaltenden
Thyristoren (VS1-VSn), die in der Umschaltungssektion 200 enthalten
sind; und Impulsformer 508, 509 zur Ausbildung
der jeweiligen ersten und zweiten Steuerimpulse.
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Die
Spannungsversorgungs/Synchronisations-Einheit 501 versorgt
alle Komponenten des Steuerungssystems 500 mit Strom aus
einer stabilen Spannungsquelle ±Vcc (beispielsweise mit +15
V), wobei die hierauf zugeführten
Wechselströme
verwendet werden, die identisch mit den Strömen sein können, die dem Gleichrichter 150 zugeführt werden. Es
führt dem
Impuls-Phasensteuerungssystem 502 auch
ein Synchronisationssignal Usynch zu, um
das Impuls-Phasensteuerungssystem 502 mit dem Taktsignal
zu synchronisieren.
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Die
entfernten und lokalen Steuertafeln 503, 504 erzeugen
Signale (START, STOP und RESET), um die Operation der Erzeugung
von Impulsströmen, die
dem Verbraucher Rload zugeführt werden,
zu starten, zu beenden und zurückzusetzen,
und Signale (Fsetup und Isetup),
um die Frequenz und die Amplitude der Impulsströme festzulegen. Ein Benutzer
kann unter Verwendung der Eingabemittel der entfernten oder örtlichen
Steuertafel 503, 504 gewünschte Anweisungen eingeben
und dann werden die diesen Signalen entsprechenden Anweisungen dem
Wählschalter 505 zur
Verfügung
gestellt. D. h., dass gemäß den Anweisungen
der Benutzer die entfernte Steuertafel 503 STARTremote-, STOPremote-,
RESETremote-, Fremotesetup-
und Iremotesetup-Signale erzeugt, während die
lokale Steuertafel 504, die auf dem Hochfrequenz-Impulsoszillator 100 angebracht
ist, STARTlocal-, STOPlocal-,
RESETlocal-, Flocalsetup-
und Ilocalsetup-Signale erzeugt.
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Der
Wählschalter 505 empfängt in Übereinstimmung
mit dem LOCAL/REMOTE-Befehl
diejenigen Signale von entweder der entfernten oder der lokalen
Steuertafel 503, 504, die der Benutzer durch die
lokale Steuertafel 504 festlegt. Es stellt weiterhin dem
spannungsgesteuerten Oszillator 507 das Fsetup-Signal,
dem Impuls-Phasensteuerungssystem 502 das
Isetup-Signal und der Schutz/Automations-Einheit 506 START-,
STOP- und RESET-Signale zur Verfügung.
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Die
Schutz/Automations-Einheit 506 stellt in Übereinstimmung
mit dem START-Signal
dem spannungsgesteuerten Oszillator 507 das SWITCH-ON-Signal
zur Verfügung.
Wenn das STOP-Signal erhalten wird oder schützende Schaltkreise erkennen,
dass die maximale Stromgrenze, welche die elektrischen Kreise des
Hochfrequenz-Impulsoszillators 100 ertragen können, überschritten
ist, schaltet die Schutz/Automations-Einheit 506 den spannungsgesteuerten
Oszillator 507 ab und liefert dem Impuls-Phasensteuerungssystem 502 ein
Signal, um den ersten Steuerimpuls zu blockieren, und ein Signal
(INV), um den Gleichrichter 150 zu invertieren. Währenddessen
wird das Signal zur Zeitsteuerung des Terminals („the terminal
timing (TT) signal")
als ein Taktsignal der Schutz/Automations-Einheit 506 zugeführt.
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Der
spannungsgesteuerte Oszillator 507 erzeugt auf der Grundlage
des Fsetup-Signals vom Wählschalter 505 und
des SWITCH-ON-Signals von der Schutz/Automations-Einheit 506 den zweiten Steuerimpuls
zur Steuerung der umschaltenden Thyristoren VS1-VSn, die in der
Umschaltungssektion 200 enthalten sind. Der zweite Steuerimpuls
wird dem Impulsformer ("pulse
shaper") 508 für die Umschaltungssektion 200 zugeführt.
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Das
Impuls-Phasensteuerungssystem 502 erhält das Signal zur Erzeugung
oder Blockierung des ersten Steuerimpulses und das INV-Signal von der
Schutz/Automations-Einheit 506 wie auch das Isetup-Signal
von dem Wählschalter 505.
Auf der Grundlage dieser Signale erzeugt es oder blockiert es den ersten
Steuerimpuls, der dem Impulsformer 509 für den Gleichrichter 150 zugeführt wird.
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Ein
Ausgangsende ("output
terminal") des Impulsformers 508 ist
mit den Steuerelektroden und Anoden der schaltenden Thyristoren
VS1-VSn verbunden, um den zweiten Steuerimpuls zur Steuerung der
schaltenden Thyristoren VS1-VSn bereitzustellen. Ein Ausgangsende
des Impulsformers 509 ist mit der Steuerelektrode des Thyristors
UV verbunden, der in dem Gleichrichter 150 enthalten ist,
um den ersten Steuerimpuls für
die Steuerung des Thyristors UV bereitzustellen.
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Unter
Bezugnahme auf die 3–5 werden
die Operationen des Hochfrequenz-Impulsoszillators 100,
die in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind, unten beschrieben.
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Um
die Impulsströme
zu erzeugen, die zum Verbraucher Rload geliefert
werden sollen, werden Wechselströme
aus der Stromquelle 250 zur Spannungsversorgungs/Synchronisations-Einheit 501 und
dem Gleichrichter 150 geliefert. Ein Benutzer gibt den
START-Befehl heraus und legt die gewünschte Frequenz und Amplitude
der Impulsströme
unter Verwendung einer entfernten oder lokalen Steuertafel ("control panel") 503, 504 fest,
so dass der Wählschalter 505 basierend
auf den Signalen von einer der beiden Anzeigevorrichtungen START-,
Fsetup- und Isetup-Signale
erzeugen kann. Wenn die Schutz/Automations-Einheit das START-Signal
empfängt,
weist diese das Impuls-Phasensteuerungssystem 502 an, die
Blockade des ersten Steuerimpulses abzuschalten. Dann wird der erste
Steuerimpuls vom Impulsformer 509 zum Gleichrichter 150 übertragen.
In Übereinstimmung
mit dem ersten Steuerimpuls ("first
control pulse")
richtet der Gleichrichter 150 die Wechselströme aus der
Stromquelle 250 gleich, um Ströme mit einer vorbestimmten
Wellenform zu erzeugen (vgl. 6(a)).
Wenn diese Ströme
der Umschaltungssektion 200 zugeführt werden, werden die Kondensatoren
C1-Cn auf die durch das Isetup-Signal definierte
Spannung geladen. Die Ströme
für eine
solche Ladungsoperation werden durch die glättenden Drosseln SR1-SRn begrenzt.
Nachdem seit dem START-Signal einige Zeit verstrichen ist (z. B.
10 bis 15 Millisekunden), werden die Kondensatoren C1-Cn zunächst auf
diese Spannung geladen. Dann initiiert das SWITCH-ON-Signal der
Schutz/Automations-Einheit 502 die Erzeugung des zweiten
Steuerimpulses, der im spannungsgesteuerten Oszillator 507 die
schaltenden Thyristoren VS1-VSn steuert. Wenn der zweite Steuerimpuls
vom Impulsformer 508 zu der Umschaltungssektion 200 geliefert
wird, werden die Kondensatoren C1-Cn jeweils über die Impulsübertrager
PT1-PTn entladen. 6(b) zeigt die Variationen
in der Spannung der Kondensatoren C1-Cn, während sie geladen und entladen
werden. Die aus den Kondensatoren C1-Cn freigesetzten Ströme werden
durch die Entladungsdioden VDB1-VDBn gleichgerichtet, was den Arbeitszyklus für den Verbraucher
Rload einrichtet. Wenn die Kondensatoren
C1-Cn entladen werden, wird die in den Impulsübertragern PT1-PTn und den
verbindenden Drähten
angesammelte Energie verwendet, um die inversen entladenden Dioden
VD01-VD0n zu öffnen. Außerdem empfangen
die schaltenden Thyristoren VS1-VSn die inverse Spannung, die eine
Amplitude und eine Dauer hat, die von den Parametern der schaltenden
Drosseln KR11-KR1n abhängt
(siehe 6(c)).
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Die
Dauer der zum Verbraucher Rload gelieferten
Impulsströme
hängt von
der Kapazität
der Kondensatoren C1-Cn ab (z. B. von 80 bis 200 μms). Die
Amplitude der Impulsströme
wird unter Verwendung der Umschaltblöcke variiert (entweder gleichmäßig oder
in Inkrementen), die parallel (3), in Reihe
(4) oder in Kombination (vgl. 6(d)) verbunden
sind. Die Frequenz und Amplitude der erzeugten Impulsströme kann
unter Verwendung zusätzlicher
Anzeigevorrichtungen (Displays) auf den entfernten oder lokalen
Steuertafeln 503, 504 (sowohl während der
Aufbauphase („setup
stage") wie auch
während
der herkömmlichen
Operation) verfolgt und nötigenfalls
berichtigt werden. Die erzeugten Impulsströme werden innerhalb der Umschaltungssektion 200 in Übereinstimmung
mit dem Widerstand der Impulsüberträger und
der Drähte
verteilt. Falls notwendig, kann jeder Umschaltblock in der Umschaltungssektion 200 mit
einem individuell regelbaren Gleichrichter mit einer variablen Verbraucherverteilung
("variable load
distribution") ausgerüstet werden.
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Um
die Operation der Erzeugung der Impulsströme zu beenden, nimmt die Schutz/Automations-Einheit 506 das
STOP-Signal oder ein Signal von den schützenden Schaltkreisen („protective
circuits"), um das
INV-Signal zu bilden (welches den Gleichrichter 150 erfordert,
um als ein Inverter zu arbeiten). Nachdem einige Zeit verstrichen
ist (z. B. 10 bis 15 Millisekunden später), schaltet sie den spannungsgesteuerten
Oszillator 507 ab, beendet die Bereitstellung des SWITCH-ON-Signals und sendet
den Befehl zur Blockade des Steuerimpulses an das Impuls-Phasensteuerungssystem 502.
Diese Aktionen führen
verlässlich
die in der Stromquelle 250 angesammelte Energie ab. In
dem Fall eines gewöhnlichen
Abschaltens durch Senden des STOP-Signals kann die Stromquelle 250 sofort
angeschaltet werden. Wenn andererseits die schützenden Schaltkreise während des
Abschaltens beteiligt gewesen sind, muss ein Benutzer vor dem Anschalten
einen RESET-Befehl ausgeben, wenn ein Signal von der Schutz/Automations-Einheit 506 erhalten
wird, welches bestätigt,
dass die Strombegrenzung nicht überschritten
wurde und die Stromquelle 250 vollständig entladen ist.
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Gemäß dieser
Anordnung kann der Hochfrequenz-Impulsoszillator 100, der
einen einzelnen Umschaltblock mit den oben beschriebenen besonderen Elementen
hat, Impulsströme
zur Stromversorgung des Verbrauchers bereitstellen, dessen Parameter wie
folgt sind:
- – Stromstärke: bis zu 20 kA,
- – Spannung:
bis zu 100 V
- – Dauer:
80–200 μms
- – Impulsfrequenz:
0–1000
Hz
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Diese
Parameter können
in Übereinstimmung
mit den Modifikationen der Elemente der vorliegenden Erfindung variiert
werden. Der Hochfrequenz-Impulsoszillator der vorliegenden Erfindung kann
an metallische Materialien, die in Vorrichtungen wie z. B. Walzstraßen verarbeitet
werden sollen, direkt die Impulsströme liefern, die solche Parameter haben.
Dabei ist die Temperatur des Materials aufgrund der kontinuierlichen
Zufuhr von Energie nicht übertrieben
erhöht.
Daher wird keine Kühlvorrichtung benötigt und
die elektrische Korrosion der Arbeitswalzen kann verhindert werden.
Indessen können
die erzeugten Impulsströme
auch zur Schließung
von Mikrorissen in metallischen Teilen zur Wiederherstellung von
deren mechanischen Eigenschaften verwendet werden.
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Während die
vorliegende Erfindung oben in Verbindung mit spezifischen bevorzugten
Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass zahlreiche Alternativen,
Modifikationen und Variationen den Fachleuten auf diesem Gebiet
offensichtlich sein werden, ohne dass vom Umfang der vorliegenden
Erfindung abgewichen wird. Daher sollte die Breite und der Umfang
der vorliegenden Erfindung nicht durch irgendeine der oben beschriebenen beispielhaften
Ausführungsformen
begrenzt werden, sondern sollte nur in Übereinstimmung mit den folgenden
Ansprüchen
und deren Äquivalenten
definiert werden.