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Elektrisches Regelsystem
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Regelsystem zur Einstellung der Lage der Elektroden eines Gerätes in Abhängigkeit von Änderungen des durch die Elektroden fliessenden Stromes, die insbesondere zur Regelung der Bewegung von Elektroden von wechselstromgespeisten Lichtbögen und Lichtbogen-Widerstandsöfen geeignet sind.
Es sind nun schon zahlreiche Vorschläge gemacht worden, elektrische Regelsysteme zur Einstellung der Lage der Elektroden eines elektrischen Gerätes zu schaffen. Gemäss allen diesen Vorschlägen wird ein Stellmotor für die Elektroden des elektrischen Gerätes in Abhängigkeit vom Elektrodenstrom und von der Elektrodenspannung gesteuert, wobei durch Bewegung der Elektroden durch den Stellmotor die Wiederherstellung der ursprünglichen Strom-und Spannungsbedingungen an den Elektroden angestrebt wird. Dabei sind stets zwischen Stellmotor und den Messstellen, Messwertumformer und Verstärker zwischengeschaltet.
Bei einer Gruppe solcher Einrichtungen werden die von Stromwandlem erfassten Werte für den Elektrodenstrom und die von der Elektrodenspannung erzeugten Ströme gleichgerichtet, und die entstehenden Gleichströme werden Wicklungen elektrischer Einrichtungen zugeführt, in welchen die Gleichströme im entgegengesetzten Sinne wirken. Solche nach Gleichrichtung der Messwerte arbeitende Einrichtungen sind in der USA-Patentschrift Nr. 2, 427, 617, in der deutschen Patentschrift Nr. 824980, in der brit. Patentschrift Nr. 630, 896 und in "Elektrotechnische Zeitschrift" Ausgabe B vom 21.2. 1956, S. 41 - 45, beschrieben.
Gemäss der deutschen Patentschrift Nr. 824980 dienen die von der Elektrodenspannung und vom Elektrodenstrom abgeleiteten Gleichstromsteuergrössen zur Erregung zweier entgegengesetzt gerichteter Erregerfelder eines Reihenschlussmotors. der die Elektroden hebt oder senkt, je nachdem, in welcher Richtung der Reihenschlussmqtor sich dreht.
Gemäss der USA-Patentschrift Nr. 2, 427, 617 dienen die vom Elektroden- strom bzw. der Elektrodenspannung abgeleiteten Gleichstromsteuergrössen zur Erregung zweier Feldwicklungen eines Gleichstromgenerators im entgegengesetzten Sinne, der je nachdem, welche Erregung die grössere ist, Strom in der einen oder in der andern Richtung an den Anker des als Gleichstrommotor ausgebildeten Stellmotors abgibt, wodurch dieser sich im gewünschten Sinne dreht und die Elektrode hebt oder senkt.
Auch das elektrische Regelsystem gemäss der Literaturstelle "Elektrotechnische Zeitschrift" zeigt die Anwendung von, von Elektrodenstrom und Elektrodenspannung abgeleiteter Gleichstromsteuergrössen im entgegengesetzten Wirkungssinn, welche auf einen in diesem Fall eine Tauchspule aufweisenden Stellmotor wirken, der eine für die Bewegung der Elektroden vorgesehene hydraulische Einrichtung steuert.
Elektrische Regelsysteme dieser Art sind jedoch wegen der erforderlichen Gleichrichtung der vom Elektrodenstrom und von der Elektrodenspannung abhängigen Steuergrössen aufwendig und es ist deshalb auch schon vorgeschlagen worden, die vom Elektrodenstrom bzw. Elektrodenspannung abgeleiteten Steuerwechselgrössen direkt imRegelsystem zu verwenden und auf eine Gleichrichtung zu verzichten. Solche Vorschläge wurden in der brit. Patentschrift Nr. 599,848, der brit. Patentschrift Nr. 129, 039, der USA-Patentschrift Nr. 2,480, 463 und USA-Patentschrift Nr. l, 449,896 gemacht. Auch bei diesen bekannten Vorschlägen gelangen lediglich von der Elektrodenspannung einerseits und vom Elektrodenstrom anderseits abgeleitete Steuerwechselgrössen im verschiedenen Wirkungssinne über Messwertumwandler und Verstärker an einen Stellmotor.
Diese obengenannten elektrischen Regelsysteme zur Einstellung der Lage der Elektroden, u. zw.
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gleichgültig, ob es sich um elektrische Regelsysteme handelt, bei denen die von der Elektrodenspannung bzw. vom Elektrodenstrom abgeleiteten Steuergrössen als Wechselstromsteuergrössen oder als Gleichstrom- steuergrössen angewendet werden, besitzen jedoch den Nachteil, dass relativ grosse Änderungen der vom Elektrodenstrom und von der Elektrodenspannung abhängigen Steuergrössen notwendig sind, um das Ansprechen der Regeleinrichtung zu bewirken, sofeme keine Verstärker vorgesehen sind und dass dann, wenn Verstärker vorgesehen sind, um auf möglichst kleine Regelabweichungen zu kommen, wegen der zwi- schengeschalteten Verstärker die Regelzeiten verlängert werden.
Es ist nun Gegenstand der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile bei einem elektrischen Regelsystem zur Einstellung der Lage der Elektroden eines Gerätes in Abhängigkeit von Änderungen des durch die Elektroden fliessenden Stromes, in dem mindestens zwei von Elektrodenstrom und Elektrodenspannung abgeleitete Steuerwechselspannungen und/oder Steuerwechselströme eine elektromagnetische Einrichtung derart steuern, dass diese elektromagnetische Einrichtung bei Änderungen des Elektrodenstromes im Sinne einer Lagekorrektur der Elektroden und damit einer Wiedereinstellung des vorbestimmten Wertes des Elektrodenstromes wirkt, eu vermeiden.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Wicklung der elektromagnetischen Einrichtung von der Summe und eine andere Wicklung von der Differenz der vom Elektrodenstrom und von der Elektrodenspannung abgeleiteten Steuerwechselgrössen erregt ist. Eine solche Massnahme besitzt den Vorteil, dass bereits geringe prozentuelle Änderungen der Sollwerte der Elektrodenspannung bzw. des Elektrodenstromes das Ansprechen des elektrischen Regelsystems bewirken. In den meisten Fällen kann auf eine Messwertumwandlung und auf eine Verstärkung überhaupt verzichtet werden, so dass das erfindungsgemässe Regelsystem ausser dem Vorteil einer geringen Ansprechzeit auch noch den Vorteil geringer Regelzeiten besitzt. Diese Regelzeiten sind beträchtlich kürzer als die Regelzeiten der einleitend genannten Regelsysteme bekannter Art.
Hinzu kommt noch, dass der Aufbau erfindungsgemässer Regeleinrichtungen, da keine Gleichrichter benötigt werden und Verstärker und Messwertumwandler in den meisten Fällen nicht erforderlich sind, äusserst einfach und damit weinig störanfällig ist.
Die Erfindung wird nachstehend vor allem an Hand von Lichtbogenöfen beschrieben, doch ist es selbstverständlich, dass die Erfindung ebenso auf Lichtbogenschweisseinrichtungen und Lichtbogenlampen und alle andern Einrichtungen anwendbar ist, in denen Elektroden eingestellt werden müssen, gleichgültig, ob ein Lichtbogen vorhanden ist oder nicht, wie dies z. B. in Öfen mit verdecktem Lichtbogen und in Lichtbogen-Widerstandsöfen, die häufig keinen Lichtbogen haben, ferner in mit Elektroden versehenen Salzbadöfen und Glasschmelzöfen und selbst in Flüssigkeitsanlassern und Flüssigkeitswiderständen der Fall ist.
In der Zeichnung zeigtFig. 1 ein Schaltschema eines erfindungsgemässen elektrischen Regelsystems an einem Lichtbogenofen, wobei die mechanische Verbindung mit der mit einem Gegengewicht versehenen Elektrode strichliert angedeutet ist, Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Systems nachFig. l, wobei hier die Elektrode nicht mit einem Gegengewicht versehen ist, und die Fig. 3 und 4 zeigen weitere gegenüber dem System in Fig. 1 abgeänderte Ausführungsformen.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung dient ein Regelsystem zur Regelung der Bewegung der Elektrode eines Lichtbogenofens. Entsprechende Regelsysteme sind auch für die andern Elektroden des Ofens vorgesehen, aber aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt.
Die Elektrode 1 ist an einem Kabel 2 befestigt, das über Scheiben 3 und 4 und um eine Trommel 5 herumgeführt ist, die mit der Läuferwelle eines Kommutatormotors 6 verbunden ist. Das Kabel 2 ist am andern Ende mit einem Gegengewicht 7 versehen, das die Elektrode 1 festhält, wenn der Motor 6 kein Drehmoment erzeugt.
Über die Stromschienen 9 und 10 werden die Elektrode 1 und der Mantel 8 des Ofens mit Wechselstrom gespeist. An der einen Sammelschiene 9 sind zwei Stromtransformatoren 11 und 12 vorgesehen, die von dem durch die Stromschiene 9 fliessenden Wechselstrom zwei voneinander unabhängige Sekundärströme ableiten. An der Wicklung des einen Transformators 11 (Ankerstromtransformator) liegt ein Widerstand 13, an welchem somit. eine der Stromschienenstromst rke proportionale Spannung erzeugt wird. Die eine Ankerklemme des Motors 6 ist an die Stromschiene 9, die andere an ein Ende des Widerstandes 13 angeschlossen, dessen anderes Ende an die Stromschiene 10 angeschlossen ist.
Der Anker des Motors 6 steht somit unter dem Einfluss der am Lichtbogen liegenden Spannung und der an dem Widerstand 13 liegenden Spannung. Der Transformator 11 ist hiebei so angeschlossen, dass beim Fliessen eines Stromes der gewünschten Stärke durch den Lichtbogen die an dem Widerstand 13 erzeugte
Spannung der Lichtbogenspannung genau gegengleich ist, so dass an dem Anker die Spannung Null liegt und der Elektrode 1 keine Bewegung erteilt wird.
Wenn die Lichtbogenstärke über den Sollwert steigt, überwiegt die an dem Widerstand 13 erzeugte
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Ofenterstützt, dass bei Zunahme der Stromschienel1$tromstärke die an dem Lichtbogen liegende Spannung im allgemeinen abnimmt. Wenn dagegen die Lichtbogenstromstärke unter den Sollwert sinkt, wird eine gegenphasige Spannung an den Anker angelegt und der Motor 6 läuft im entgegengesetzten Drehsinn, so dass die Elektrode 1 in den Ofen hinabgesenkt wird.
Die Feldwicklung 14 des Motors 6 liegt über dem Widerstand 15 an der Lichtbogenspannung und ist gleichzeitig an den Stromtransformator 12 (Feldstromtransformator) angeschlossen. Die Spannung an der Feldwicklung 14 ist etwas kleiner als der Mittelwert der Lichtbogenspannung und der Spannung des Stromtransformators 12, weil an dem Widerstand 15, der die Lichtbogenspannung an die Feldwicklung 14 anlegt, ein Spannungsabfall auftritt. Dieser Widerstand verhindert einen Kurzschluss der Feldwicklung 14 bei Kurzschluss des Lichtbogens.
Wenn bei dieser Schaltung die Lichtbogenspannung höher ist als die vom Stromtransformator 11 am Widerstand 13 erzeugte Spannung, so ist die am Anker liegende Spannung mit der an der Feldwicklung liegenden Spannung phasengleich. Wenn die Spannung an dem Widerstand 13 überwiegt, ist sie gegenüber der Feldwicklung phasenverschoben und der Motor läuft im entgegengesetzten Sinn.
Es soll zweckmässigerweise auch möglich sein, den Motorstromkreis auch von einer Hilfsstromquelle für die Einstellung der Elektrode bei abgeschalteter Heizleistung zu speisen.
Zur Steuerung des Wertes, auf den der Lichtbogenstrom eingeregelt werden soll, sind nicht gezeigte Mittel zur Veränderung der an den Anker angelegten Lichtbogenspannung oder zur Veränderung der an dem Widerstand 13 erzeugten Spannung vorgesehen. Eine geeignete Methode besteht darin, den Anker über einen dem Lichtbogen parallelgeschalteten regelbaren Spartransformator zu speisen.
In der in Fig. 2 gezeigten Anordnung ist der Feldstromtransformator 12 ebenfalls mit einem Nebenschlusswiderstand 17 versehen, der in Reihe mit der Feldwicklung 14 liegt, wobei diese Reihenschaltung dem Lichtbogen parallelgeschaltet ist. Die Lichtbogenspannung und die Spannung an dem Widerstand 17 sind einander phasenunterstützend geschaltet, so dass an die Feldwicklung die Summe dieser Spannungen angelegt wird.
Diese und die andern hier beschriebenen Anordnungen können zusammen mit einem Elektrodensystem mit Gegengewicht verwendet werden, wie es an Hand der Fig. 1 beschrieben wurde ; sie können aber auch zusammen mit einem Elektrodensystem verwendet werden, das kein Gegengewicht besitzt.
In diesem System (Fig. 2) ist das Kabel um die Trommel 5 gewickelt, die mit der Läuferwelle des Motors 6 verbunden ist. Das System ist so angeordnet, dass ein stationärer Zustand erreicht wird, wenn die an den Ankerstromkreis angelegte Differenz zwischen der Spannung an dem Lichtbogen und der Spannung an dem Widerstand 13 ein Läuferdrehmoment bewirkt, das eben ausreicht, um das Gewicht der Elektrode 1 auszugleichen und sie stationär zu halten.
In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind die an Hand der Fig. 2 beschriebenen Widerstände durch Kondensatoren 18 und 19 ersetzt worden.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der vom Regelsystem aufgenommene Strom gegenüber dem Lichtbogenstrom in der Phase voreilt, wodurch der Leistungsfaktor des Ofens verbessert wird.
Zum Unterschied von den ersten zwei Anordnungen fliesst in der Anordnung nach Fig. 3 in dem Ankerstromkreis auch im Gleichgewichtszustand des Systems ein Strom. Wenn die Lichtbogenspannung und die Spannung an dem Kondensator 18 im Gleichgewicht sind, ist der in dem Ankerstromkreis fliessende Strom gegenüber dem in dem Feldstromkreis fliessenden Strom bzw. dem Feldkraftfluss um 900 phasenverschoben, so dass der Motor kein Drehmoment erzeugt und in Ruhe bleibt. Dies gilt natürlich für eine Elektrode mit Gegengewicht. Wenn kein Gegengewicht vorhanden ist, wird im Gleichgewichtszustand ein die Elektrode haltendes Drehmoment erzeugt.
Wenn bei einer Störung des Gleichgewichtes der Phasenwinkel des Stromes im Feldstromkreis vergrö- ssert oder verkleinert und der Phasenwinkel des Stromes im Ankerstromkreis verkleinert oder vergrössert wird, bewirkt die sich ergebende Abweichung von demPhasenunterschied von 900 eine gegenseitige Rückwirkung des Feldes und des Ankers aufeinander, wodurch die Bewegung des Läufers in der einen oder andern Richtung bewirkt wird.
Die stärkste Wechselwirkung zwischen Feld und Anker und somit das grösste Drehmoment wird erhalten, wenn ihre Ströme gleichphasig oder um 1800 gegeneinander phasenverschoben sind. Dieser Zustand tritt bei den stärksten Abweichungen vom Gleichgewicht auf, d. h. bei unterbrochenem oder kurzgeschlossenem Lichtbogen.. In diesen Fällen stellt das erhöhte Drehmoment das System rasch ins Gleichgewicht zurück.
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Als eine weitere nicht gezeigte Alternative können die Kondensatoren durch Induktivitäten ersetzt werden.
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4parallelgeschaltet und diese beiden Elemente sind in Reihe zum Motoranker geschaltet, dem seinerseits ein Widerstand 20 parallelgeschaltet ist. Diese Kombination ist an die die Lichtbogenspannung liefernden Stromschienen 9, 10 angeschlossen.
Gegebenenfalls können der eine oder beide der Transformatoren der vorstehend beschriebenen Anord- nungen so ausgelegt sein, dass sie bei einer vorherbestimmten Stromschienenstro. mstärke gesättigt sind, damit sehr starke Stromstärken, wie sie bei Kurzschluss des Lichtbogens auftreten. die Bestandteile des Systems nicht beeinträchtigen.
In der vorstehenden Beschreibung wurde angenommen, dass die Anker-und Feldwicklung des Motors direkt mit dem Stromkreis gekoppelt sind. Man kann jedoch den Anker und/oder das Feld mit dem Stromkreis auch über einen Transformator koppeln, der zweckmässig regelbar sein kann, damit es zur Einstellung der Charakteristik des Systems dienen kann.
Bei einem Drehstromofen wird eine Elektrodenregeleinrichtung aus drei der vorstehend beschriebenen Regler bestehen. Wenn, in geeigneter Weise, die drei Reglerkreise einpolig an den Mantel des Ofens angeschlossen sind, bildet dieser den Sternpunkt des Drehstromreglers bzw. der Drehstromschaltung des Ofens.
Manchmal ist es jedoch erwünscht, dass der Drehstromregler seinen eigenen, freien Sternpunkt besitzt und in diesem Fall wird der Sternpunkt des Reglersystems vom Ofenmantel getrennt. Gegebenenfalls kann dieser Sternpunkt des Reglersystems über einen Widerstand mit dem Sternpunkt der Ofenschaltung verbunden sein.
Obige Bemerkungen gelten auch, wenn die nachstehend beschriebenen abgeänderten Stromkreise in einem Drehstromnetz verwendet werden.
FUr die vorstehend beschriebenen Regelsysteme wurde eine direkte mechanische Verbindung zwischen Motor und Elektrode angenommen, doch kann der Motor auch indirekt eine Bewegung der Elektrode bewirken.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Drehung des Motors eine Betätigung eines Ventils zur Steuerung des Druckes des Arbeitsmedium in einem Lichtbogenofen mit hydraulisch gesteuerten Elektroden bewirken.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kommutatormotor aus dem System wegzulassen und von derlichtbogenspannung und-stromstärke abhängige Spannungen zur Betätigung einer elektromechanischen Einrichtung zu verwenden, die ihrerseits die Einstellung von Apparateteilen steuert.
So kann gemäss der Erfindung ein Regelsystem für hydraulisch gesteuerte Lichtbogenöfen vorgesehen sein, in denen ein Druckmedium über eine Stössel oder einen Kolben zum Heben und Senken der Elektroden verwendet wird ; die Bewegung der Elektroden wird durch ein Ventil gesteuert, welches den auf den Stössel oder Kolben einwirkenden Druck des strömenden Mediums steuert.
Man kann an Stelle des hydraulischen Systems auch jedes geeignete Servosystem verwenden, das von der Lichtbogenspannung und-stromstärke direkt oder indirekt in einander entgegengesetzten Richtungen auf einen vorherbestimmten Gleichgewichtszustand eingeregelt wird.
In jedem der vorstehend beschriebenen Regelsysteme kann ein nicht gezeigter Kondensator in den Feldstromkreis eingeschaltet werden, um die Belastung des Feldstromtransformators herabzusetzen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Regelsystem zur Einstellung der Lage der Elektroden eines Gerätes In Abhängigkeit von Änderungen des durch die Elektroden fliessenden Stromes, in dem mindestens zwei von Elektrodenstrom und Elektrodenspannung abgeleitete Steuerwechselspannungen und/oder Steuerwechselströme eine elektromagnetische Einrichtung derart steuern, dass diese elektromagnetische Einrichtung bei Änderungen des Elektrodenstromes im Sinne einer Lagekorrektur der Elektroden und damit einer Wiedereinstellung des vorbestimmten Wertes des Elektrodenstromes wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wicklung der elektromagnetischen Einrichtung von der Summe und eine andere Wicklung von der Differenz der vom Elektrodenstrom und von der Elektrodenspannung abgeleiteten Steuerwechselgrössen erregt ist.