DE69201617T2 - Verfahren und anlage zum vermindern von abstandsabhängiger spannungserhöhung bei parallelen hochfrequenzelektroden. - Google Patents

Description

• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung eines entfernungsabhängigen Spannungsanstiegs an Elektroden, der in einer Vorrichtung auftritt, die parallele stabförmige Elektroden umfaßt, die an eine Hochfrequenzspannungsquelle angeschlossen sind, entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7.
• Elektrodenstrukturen des genannten Typs werden beispielsweise zum Erwärmen und/oder Trocknen von Bahnen, Bögen oder Schichten aus verschiedenen Materialien mit Hochfrequenzenergie eingesetzt. Das in diesen Maschinen zu behandelnde Material wird dicht an den stabförmigen Elektroden, von denen mehrere parallel, in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Materials im wesentlichen quer, angeordnet sind, vorbeige führt.
• Die parallelen Elektroden sind wechselweise an die Hochfrequenzstromversorgung angeschlossen, so daß sich zwischen den Elektroden ein elektromagnetisches Feld bildet, das so ausgerichtet wird, daß es primär das zu behandelnde Material beeinflußt. Wenn das zu behandelnde Material Feuchtigkeit enthält oder andere ähnliche dielektrische Eigenschaften besitzt, wird das hochfrequente elektromagnetische Feld, das zwischen zwei Elektroden gebildet wird, hauptsächlich auf das zu behandelnde Material ausgerichtet. Hat das Material außerdem einen hohen dielektrischen Verlustfaktor, erzeugt das Hochfrequenzfeld einen Aufwärmeffekt in dem Material, was wiederum zu der gewünschten Erwärmung und/oder Trocknung des Materials führt.
• Anwendungsbeispiele für Vorrichtungen dieses Typs sind die Erwärmung von Papierbahnen, Holzfurnier oder textilen Stoffen mit dem Ziel, das Material zu trocknen oder seinen Feuchtigkeitsgehalt auszugleichen, das Erwärmen von Schichten, mit denen das Material beschichtet oder die in das Material eingezogen sind, die Nachbehandlung von Bäckereierzeugnissen auf einer Transportanlage, die Erwärmung einer Pulver- oder Granulatschicht auf einer Transportanlage etc.
• Bei den meisten Anwendungen läuft das zu behandelnde Material als breite Bahn oder Matte durch, über die die Elektroden reichen müssen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Man verwendet lange Elektroden mit dem hinlänglich bekannten Problem der stehenden Wellen, die mit zunehmender Entfernung vom Spannungsversorgungspunkt zu einem Spannungsanstieg führen. Bei vielen Anwendungen kann aufgrund von Größenbeschränkungen der Anlagen und ähnlichen konstruktionsbedingten Faktoren eine Spannungsversorgung der Elektroden nur von einem Ende, höchstens von beiden Enden der Elektrode, erfolgen, wodurch die Möglichkeiten, den Spannungsanstieg zu vermeiden, eingeschränkt werden.
• Bekanntlich konnte mit den obengenannten Strukturen eine Reduzierung des Spannungsanstiegs erreicht werden, indem zwischen benachbarten Elektroden in bestimmten Abständen Induktivspulen angeschlossen wurden. Mit dieser Anordnung ist eine brauchbare Lösung zur Reduzierung des Spannungsanstiegs möglich, sofern sie, bezogen auf die übrige Konstruktion der Vorrichtung, anwendbar ist. Bei Papier- und Holzfurniertrocknern beispielsweise, wo etwa 5 Meter lange Elektroden und eine Wechselspannungsfrequenz von 13,56 MHz eingesetzt werden, kann mit dieser Lösung die Spannung innerhalb eines Bereichs von ± 5% der Ausgangsspannung (1,5 kV) entlang der gesamten Elektrode gehalten werden. Bei dieser Lösung sind zwei Induktivspulenanschlüsse entlang der Stäbe erforderlich.
• Bei der oben beschriebenen bekannten Technologie, die auf dem Einsatz der sogenannten zentralisierten Kompensationsspulen basiert, gibt es jedoch in einem System mit mehreren parallelen Elektroden gewisse Probleme. Die Struktur ist im Hinblick auf die Platzerfordernisse ungünstig. Sie neigt außerdem zu Verschmutzungen und eine verschmutzte Vorrichtung ist schwierig zu reinigen. Außerdem stellt eine Ungenauigkeit bei der Dimensionierung der Vorrichtung, die durch die gegenseitigen Induktanzen der Kompensationsspulen verursacht wird, ein funktionelles Problem dar.
• Eine auf einem anderen Prinzip basierende Lösung zur Beseitigung des Spannungsanstiegs in den Elektroden wurde in der finnischen Patentschrift 55922 vorgestellt. Bei dieser Lösung sind die Elektroden in Gruppen von je zwei Elektroden zusammengefaßt und für diese ist eine gemeinsame Versorgung vorgesehen, indem ein Versorgungsleiter eingesetzt wird, der zwischen den Elektroden mit gleichem Abstand zu diesen angeordnet ist. Die Versorgungspunkte werden am besten an mehreren Punkten zwischen den Enden der Elektroden ausgewählt. Indem man die Frequenz der eingesetzten Wechselspannung bei der Wahl der Versorgungspunkte entsprechend berücksichtigt, kann ein kompensierender Effekt für die Spannung in den Elektroden erzielt werden. Die Kompensation der Elektrodenspannung wird auch von der Tatsache beeinflußt, daß der Strom des Versorgungskabels und der Strom der Elektrode an einem Teil der Elektrode gegenläufig werden und folglich die resultierenden induzierten Magnetfelder auch gegenläufig sind und zum Teil die Kompensation der in der Elektrode vorhandenen Spannung bewirken.
• Der Effekt der genannten bekannten Vorrichtung kann im wesentlichen in der gewünschten Form nur erreicht werden, wenn Strom an beiden Enden des zwischen den Elektroden liegenden Leiters zugeführt wird. Obwohl die Vorrichtung insbesondere entwickelt wurde, um Probleme bei langen Elektroden zu überwinden (Elektrodenlänge geringer als etwa ein Fünftel der eingesetzten Wellenlänge), verursacht die genannte Stromversorgung unweigerlich Probleme mit solchen Elektroden. Entweder muß ein eigener Generator für beide Versorgungsenden eingesetzt werden, und zwar pro Seite der Vorrichtung einer, oder das andere Versorgungsende muß mit langen Leitern ausgestattet werden. Bei zwei getrennten Generatoren entstehen häufig Probleme, wobei als kritischstes Problem hinsichtlich der Funktion die Synchronisation der Generatoren zu betrachten ist. Andererseits kann die Verwendung langer Leiter das Problem des Spannungsanstiegs, zu dessen Lösung sie eigentlich beitragen sollten, noch verstärken.
• In dieser bekannten Struktur ist jedoch die Anzahl der Anschlußpunkte zwischen den Versorgungsleitern und den Elektroden entsprechend dem Funktionsprinzip der Vorrichtung begrenzt. Wenn Strom an beiden Enden des Versorgungsleiters zugeführt wird, sind die Versorgungspunkte auf zwei zusätzliche Punkte über die Länge der Elektroden beschränkt. Wenn Strom an einem Ende des Versorgungsleiters zugeführt wird, kann eine Stromversorgung der Elektroden nur an einem zusätzlichen Punkt entlang der Elektrode vernünftig realisiert werden. Die obengenannten Umstände begrenzen die maximale Länge der Elektroden auf höchstens ein Viertel der Wellenlänge, wie in der Veröffentlichung erwähnt wird.
• Entsprechend der Grundidee der Erfindung wird derselbe Kompensationseffekt der gegenläufigen Magnetfelder, die durch die Rückströme beim Ausgleichen der Elektrodenspannung erzeugt werden, eingesetzt, wie in der Veröffentlichung FI 55922, obwohl er hier so realisiert wird, daß die einschränkenden Merkmale des von der Veröffentlichung FI 55922 bekannten Systems vermieden werden können. Entsprechend der Grundidee der Erfindung kann dies so erreicht werden, daß ein Magnetfeld, das zum Magnetfeld der Elektrode gegenläufig ist, erzeugt wird, indem man für den Elektrodenstrom vom Kompensationspunkt einen Rückweg anordnet, und zwar in einem Abstand zu der Elektrode, bei dem eine elektrische Entladung garantiert vermieden wird, und der sich über die zu kompensierende Distanz erstreckt, und indem man diesen Rückweg im wesentlichen an seinem Ende mit dem entsprechenden Rückweg jeder benachbarten Elektrode verbindet, die ein entgegengesetztes Potential besitzt.
• Die besonderen Formen der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den beiliegenden Unteransprüchen dargestellt.
• Für die Vorrichtung zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es charakteristisch, daß ein Kompensationsleiter in der Nähe jeder Elektrode angeordnet ist, wobei dieser Leiter mindestens in einem Abstand zu der Elektrode geführt wird, bei dem eine elektrische Entladung garantiert vermieden wird, und sich über einen Teil der Elektrodenlänge erstreckt; wobei der Kompensationsleiter an seinem vom Stromversorgungspunkt der Elektrode abgewandt liegenden Ende an den Kompensationspunkt der Elektrode angeschlossen ist, und an seinem anderen Ende mit dem Ende des entsprechenden Kompensationsleiters jeder benachbarten Elektrode verbunden ist.
• Die Erfindung wird anhand der beiliegenden schematischen Zeichnung beschrieben, in der
• Figur 1 eine Grundrealisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wärmebehandlung von als Bahn vorliegendem Material erläutert, und
• Figur 2 eine Modifizierung des Verfahrens erläutert.
• Figur 3 zeigt eine Modifizierung der Anpassung der Kompensationsspule.
• Figur 1 zeigt eine Vorrichtung, die für die Wärmebehandlung des Materials 1 gedacht ist, das als durchgehende Bahn durchläuft. Material 1 kann zum Beispiel ein Papierbogen sein. Die Vorrichtung umfaßt die Elektroden 2, die so angeordnet sind, daß sie über der Papierbahn liegen und abwechselnd an die entgegengesetzten Potentiale der Hochfrequenzstromversorgung G angeschlossen sind. Nach der Erfindung wird von dem entgegengesetzten Ende jeder Elektrode, bezogen auf die Stromversorgungsseite, ein Leiter 3 geführt, der im wesentlichen parallel zur Elektrode installiert ist. Der Leiter 3 wird in einem Abstand von seiner Elektrode 2 geführt, daß der sich bildende Luftspalt eine ausreichende elektrische Durchschlagfestigkeit garantiert. Der Leiter 3 erstreckt sich über einen wesentlichen Teil der Länge der Elektrode 2, wobei sich in der Praxis mindestens zwei Drittel der Elektrodenlänge bewährt haben.
• Im Endbereich der Leiter sind die Kurzschlußelemente 4 angeordnet, durch die der Leiter an den entsprechenden Leiter der benachbarten Elektrode angeschlossen werden kann. Der Leiter 3 zweier benachbarter Elektroden und das Kurzschlußelement 4, das sie miteinander verbindet, bilden eine Kompensationsspule. Die Kurzschlußelemente können in Längsrichtung, bezogen auf die Leiter 3, verschoben werden, um die Kompensationsinduktanz so anzupassen, daß sie in jedem Fall genau ist.
• Bei der Dimensionierung einer Vorrichtung des genannten Typs müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, um sicherzustellen, daß das gewünschte Endergebnis erreicht wird. Der erste grundlegende Faktor ist der gegenseitige Abstand der Elektrodenstäbe 2 in der Bewegungsrichtung oder Bogenrichtung des zu verarbeitenden Materials. Der Bedarf an Spannung, der den Elektroden zugeführt werden muß, erhöht sich mit zunehmendem Abstand. Die erhöhte Versorgungsspannung beeinflußt ihrerseits die Kompensationsinduktanzen. Wenn die Vorrichtung mit Radiofrequenzen betrieben wird, kann der Abstand der Elektroden untereinander von Fall zu Fall beispielsweise von wenigen Zentimetern bis Zehntel Zentimetern bis zu Abmessungen von etwa 20-30 Zentimetern variieren. Ein Maß von 10-15 Zentimetern kann als allgemeiner Wert gelten.
• Der Abstand der Induktionsspule von den Elektroden wird in erster Linie nach der elektrischen Durchschlagfestigkeit bestimmt. Der Abstand kann auch zur Beeinflussung der Kompensationsinduktanz eingesetzt werden; je größer der Abstand der Induktionsspule von den Elektroden ist, desto geringer ist der Induktionseffekt. Dieser Umstand kann zum Anpassen des Kompensationseffekts durch Veränderung des Abstands der Induktanzleiter von der Elektrode an verschiedenen Punkten des Kompensationsbereichs genutzt werden. Als maximaler Abstand zwischen der Elektrode und dem Induktanzleiter kann ein Abstand von etwa 20 Zentimetern gelten. Auch der Durchmesser sowohl der Elektrode als auch des Induktanzleiters hat seinen eigenen Einfluß auf die Dimensionierung der Vorrichtung. Der Mindestdurchmesser wird bestimmt von der durch den zu leitenden Strom verursachten Erwärmung. Ein Durchmesser von etwa 10-40 mm kann als herkömmlicher Durchmesser gelten, obwohl auch Abmessungen von bis zu 100 mm vorkommen können.
• Im Unterschied zu der Grundimplementierungsform, die in den Zeichnungsfiguren dargestellt ist, können die Elektrodenstäbe auch über eine Induktivität oder eine Kapazität an den benachbarten Stab, bezogen auf das Stromversorgungsende am gegenüberliegenden Ende, angeschlossen werden, um zwischen den Stäben eine Phasenverschiebung zu erreichen. Werden lange Elektroden eingesetzt, kann eine Anordnung verwendet werden, bei der die Kompensationspunkte in Folge über der Länge mehrerer Elektroden 2 angeordnet sind.
• In der Implementierung der Figur 2 sind der Einfachheit halber zwei parallele Elektroden 2 und die für sie gebildete Kompensations-Induktionsspule dargestellt. In Übereinstimmung mit der Lösung der Figur 1 wird die Kompensations- Induktionsspule durch den Leiter 3 gebildet, der an die Elektrode am Kompensationspunkt angeschlossen ist, der mindestens im Abstand der genannten elektrischen Durchschlagfestigkeit von der Elektrode geführt wird. Um der Spule die Kompensationsinduktanz zuzuführen, werden die Leiter 3 der benachbarten Spule durch eine zusätzliche Spule 7 miteinander verbunden, die mit einem Kurzschlußelement 4 ausgestattet ist, das zur Anpassung der Induktanz an ihrem Ende vorgesehen ist.
• Bei der Dimensionierung der Kompensations-Induktivitätsspule des Spannungsanstiegs kann als numerische Basis die sogenannte Übertragungsleitungstheorie zur Anwendung kommen, durch die, basierend auf gegebenen vereinfachenden Annahmen, Annäherungswerte für die Induktanzen, den Durchmesser der Induktanzleiter und den Abstand von der Elektrode ermittelt werden können, wenn die annähernde Länge entsprechend dem Zweidrahtberechnungsmodell bekannt ist. Bei der Definition der Länge muß der reduzierende Effekt der Induktivitätsspule auf die Elektrodeninduktanz berücksichtigt werden, der, neben anderen Unsicherheitsfaktoren, dazu führt, daß etwa 10-20% zu der errechneten Länge der Induktivitätsspule hinzuaddiert werden müssen. Die endgültige Anpassung der Induktanz wird durch Experimente mit der Verschiebung der Kurzschlußelemente 4 ausgeführt.
• Im folgenden Absatz wird ein greifbares Dimensionierungsbeispiel zur Erläuterung vorgestellt.
• Ein Streufeld-Elektrodensystem ist gegeben, mit dem ein 4 Meter breiter Bogen aus dünnem Material, z. B. Papier, erwärmt wird, indem man die Stromversorgungsfrequenz von 13,56 MHz einsetzt. Die Durchmesser der Elektroden betragen 50 mm und ihr Abstand zueinander beträgt 200 mm. Als Spannungswert wird 5 kV angenommen. Der benötigte Luftspalt zwischen dem Induktanzleiter und der Elektrode beträgt also 50 mm (1 kV/cm). ein Durchmesser von 15 mm wird für die Leiter der Kompensationsinduktanzen ausgewählt, um die Wärmeentwicklung in den Leitern unter Kontrolle zu halten. Das Maß von 3,5 m der Schleife, parallel zur Elektrode, erhält man numerisch. Zu diesem Maß muß eine Anpaßtoleranz von etwa 10% addiert werden, das heißt also, daß die Spule über etwa 95% der Elektrodenlänge reicht.
• Im Unterschied zu der obigen Anpassung der Kompensationsinduktanzen, basierend auf der Positionsveränderung der Kurzschlußelemente 4, zeigt Figur 3 eine Implementierungsalternative zu dieser Anpassung. Im Endbereich jedes Leiters 3 liegt eine kurzgeschlossene Induktivitätsspule, die so angeordnet ist, daß ihre Position in der Längsrichtung der Leiter 3 angepaßt werden kann. Durch diese Positionsanpassung kann die Größe der Kompensationsinduktanz beeinflußt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Kompensation eines durch die Entfernung zum Stromversorgungspunkt verursachten Spannungsanstiegs an den Elektroden (2) einer dielektrisches Material verarbeitenden Vorrichtung, die zumindest zwei stabförmige, benachbarte, parallele Elektroden (2) umfaßt, die an einem Ende mit einem jeweils entgegengesetzten Hochfrequenzpotential, zum Beispiel einem Radiofrequenzpotential, verbunden sind, bei dem zumindest entlang eines Abschnittes der Elektrode (2) ein gegenläufiges Magnetfeld in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der Elektrode (2) gebracht wird, dadurch gekennzeichnet , daß das dem Magnetfeld der Elektrode (2) gegenläufige Magnetfeld erzeugt wird durch Einrichten eines Rückweges (3) für den Elektrodenstrom vom Kompensationspunkt aus, der zumindest in einer Entfernung zur Elektrode (2) verläuft, um sicherzuszellen, daß keine elektrischen Entladungen auftreten, und der sich über die zu kompensierende Entfernung erstreckt, und daß dieser Rückweg (3) an seinem Ende mit dem entsprechenden Rückweg (3) jeder benachbarten, ein entgegengesetztes Potential aufweisenden Elektrode verbunden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kompensationspunkte entlang der Elektrode angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Rückweg (3) pro Elektrode (2) an jedem Kompensationspunkt angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rückleiter (3) pro Elektrode (2) an jedem Kompensationspunkt angeordnet sind.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwege (3) in verschiedenen Entfernungen vonden Elektroden geführt werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kompensierende Induktanz, die durch zwei benachbarte Rückwege (3) gebildet wird, unter Verwendung einer geschlossenen Induktionsspule angepaßt wird, deren Position in Längsrichtung bezüglich der Elektrode angepaßt wird, und die in gleicher Entfernung oberhalb oder unterhalb des Rückleiters (3) angeordnet ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die zumindest zwei benachbarte und parallele Elektroden (2) umfaßt, die an ihrem einen Ende mit den entgegengesetzten Polen einer Hochfrequenzspannungsquelle (G) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nachbarschaft einer jeden Elektrode ein kompensierender Leiter (3) angeordnet ist, der in einer Entfernung zur Elektrode verläuft, um sicherzustellen, daß keine elektrischen Entladungen auftreten, und der sich über einen Abschnitt der Elektrodenlänge (2) erstreckt, und daß der kompensierende Leiter (3) mit dem Kompensationspunkt der Elektrode (2) an dem von dem Stromversorgungspunkt der Elektrode (2) weggerichteten Ende verbunden ist, und an seinem anderen Ende mit dem Ende des entsprechenden kompensierenden Leiters (3) einer jeden benachbarten Elektrode (2) verbunden ist.

B. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere kompensierende Leiter (3) in Folge entlang der Elektrode (2) vorgesehen sind, und daß jeder der Leiter mit seinem eigenen sequentiellen Kompensationspunkt der Elektrode verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Verbindungspunkt der Enden der kompensierenden Leiter (3) der benachbarten Elektroden (2) bezüglich der Länge des Leiters (3) anpaßbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die kompensierenden Leiter (3) zweier benachbarter Elektroden (2) über miteinander verbundene (4) Leiter (7) verbunden sind, die in induktiver Wechselwirkung zum benachbarten kompensierenden Leiter (3) geführt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktanzanpassungseinrichtung am gemeinsamen Verbindungspunkt der kompensierenden Leiter (3) der Elektroden (2) angeordnet ist, welche Stäbe (5), die parallel zu den kompensierenden Leitern (3) sind und in gleicher gegenseitiger Entfernung angeordnet sind, und die Stäbe an ihren Enden verbindende Leiter (6) umfaßt.