AT234223B - Spannungsregler - Google Patents

Description

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  Spannungsregler 
Die Erfindung betrifft Spannungsregler für ein- oder mehrphasige Netze, an den ein Verbraucher mit schwankendem Anschlusswert angeschlossen ist, insbesondere eine Vorrichtung zur Herabsetzung des Span- nungsflackerns in mehrphasigen Netzen zur Speisung eines Hochleistungs-Lichtbogenofens. 



   Das charakteristische Verhalten eines Lichtbogens, der in einem Versorgungsnetz unerwünschte Span- nungsschwankungen hervorruft, die durch die rasche Änderung des Lichtbogenstromes bedingt werden, hat zu zahlreichen Versuchen geführt, um den Verbraucherstrom zu stabilisieren. Die Bestrebungen gingen dahin, das Spannungsflackern in andern Verbrauchern, die an dasselbe Versorgungsnetz angeschlossen sind, zu verhindern. 



   Dieses Spannungsflackern macht sich z. B. bei Beleuchtungsinstallationen in einem unangenehmen
Schwanken der Lichtstärke bemerkbar. Die Ansprechgeschwindigkeit der Stabilisation muss so gross sein, dass eine augenblickliche Absorption der Schwankungen erfolgt. 



   Prinzipiell können am Verbraucher auftretende Stromstärkeschwankungen rasch von sättigbaren Blind- leistungserzeugern aufgenommen werden, die eine sehr flache Charakteristik haben, doch müssten diese
Blindleistungserzeuger mit Reihenkondensatoren und möglichst auch mit Puffer-Blindleistungserzeugern zusammengeschaltet werden, damit einerseits eine genügend flache Charakteristik, anderseits eine so hohe Amplitude der Flackerspannung erhalten wird, dass diese Blindleistungserzeuger auf den Flackerpegel wirksam werden. 



   Die Erfindung schafft eine viel einfachere Anordnung, u. zw. durch Ausnutzung der Spannungsschwankungen, die zwischen dem Flackerpegel des Netzes und dem Belastungspegel auftreten. 



   Erfindungsgemäss ist bei einem Spannungsregler, zur Verwendung in einem ein-oder mehrphasigen
Netz, welches einen Verbraucher mit schwankendem Anschlusswert speist, der Verbraucher über einen Netztransformator gespeist, dessen Primärwicklung an zumindest einem Teil der Netzspannung anschliessbar und dessen Sekundärwicklung an den Verbraucher angeschlossen ist sowie ein sättigbarer Blindleistungerzeuger vorgesehen, der zum unverzüglichen Erreichen seiner Sättigung bei   Belastungsschwankungen   eingerichtet ist und an einer vom Netz abgeleiteten, von der Transformatorspannung abhängigen Spannung, z. B. dessen   Primär- oder   Sekundärspannung liegt. 



   Nachstehend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben, in denen Fig. 1 und 2 das Schaltschema von zwei Flackerunterdrückungsanordnungen für kleine Lichtbogenöfen, Fig. 3 und 4 Einzelheiten einer abgeänderten Anordnung für grössere Lichtbogenöfen und Fig. 5-11 das Schaltschema sieben weiterer Anordnungen gemäss Erfindung zeigen. 



   Gemäss Fig. 1 wird ein Lichtbogenofen 1 von einem Drehstromnetz 2 über einen Netztransformator 3 gespeist. Der Transformator 3 hat eine in Sternschaltung an das Netz angeschlossene Primärwicklung 4 und eine an die Elektroden des Ofens 1 angeschlossene Sekundärwicklung 5. In Reihe mit jeder Phase der Primärwicklung 4 ist ein induktiver Blindleistungserzeuger 6 mit einer Anzapfung zwischen dem Transformator und dem Netz eingeschaltet. Zwischen den Anzapfungen und dem Sternpunkt der Primärwicklung sind drei sättigbare Blindleistungserzeuger 7 in Sternschaltung angeordnet. 



   Die Anzapfungen der Blindleistungserzeuger 6 sind so gewählt, dass bei einer infolge des Erlöschens des Lichtbogens am Transformator 3 auftretenden Stromstärkeschwankung an dem sättigbaren Blindleistungserzeuger 7 eine Spannungsschwankung erhalten wird, die genügend gross ist, um eine unverzügliche Sättigung des Blindleistungserzeugers zu bewirken, so dass am Transformator auftretende Stromstärkeschwankungen von dem sättigbaren Blindleistungserzeuger aufgenommen werden. 

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 Dabei ist   E   die Netzspannung, E2 die am sättigbaren Blindleistungserzeuger liegende Spannung und    E3die   Primärspannung des Transformators. 



   Man erkennt, dass zur Herstellung der zur Unterdrückung von Spannungsflackern erforderlichen Bedingung die am sättigbaren Blindleistungserzeuger 7 liegende Spannung zusammen mit der Transformatorspannung von der Netzspannung abgeleitet werden kann, ohne dass die angezapften Blindleistungserzeuger 6 erforderlich sind. Dies ist bei Verbrauchern hoher Leistung ein grosser Vorteil, weil in solchen Fällen eine grosse Streureaktanz des Transformators 3 die Verwendung von angezapften Blindleistungserzeugern verhindern kann. 



   Eine andere Anordnung, in der dieser Effekt ausgenutzt wird, ist in Fig. 6 dargestellt, die wieder der Einfachheit halber eine einphasige Schaltung zeigt, die in der Praxis aber auch dreiphasig ausgeführt werden kann. 



   Gemäss Fig. 6 ist der sättigbare Blindleistungserzeuger 7 in Reihe mit der Sekundärwicklung eines Transformators 12 geschaltet, dessen Primärwicklung dem Verbraucher 1 parallelgeschaltet ist. Der sättigbare Blindleistungserzeuger 7 ist mit der Primärwicklung des Transformators 3 so gekoppelt, dass der Blindleistungserzeuger die Stromstärkeschwankungen aufnehmen kann, die an der Primärwicklung auftre- 
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 braucher angelegte Spannung und n der vorher dafür festgelegte zahlenmässige Wert. 



   In dieser Schaltung ist die an den sättigbaren Blindleistungserzeuger angelegte Spannung 
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 Auf diese Weise kann die Bedingung der optimalen Herabsetzung des Spannungsflackerns erfüllt werden. 



  Für diese Bedingung ist es notwendig, dass sich der Blindleistungserzeuger bei Es = 0, d. h. bei kurzgeschlossenen Ofenelektroden am Knie der Sättigungscharakteristik befindet, und dass die Zeitkonstante des gesättigten Blindleistungserzeugers für   Einsch'ingvorgänge   beim Schalten kleiner ist als 10 ms. Zu diesem Zweck kann man erforderlichenfalls in Reihe mit dem gesättigten Blindleistungserzeuger zusätzlich einen ohmschen Widerstand vorsehen. 



   Fig. 7 zeigt eine andere Schaltung, in der dasselbe Prinzip angewendet,   die"Abstimmung"des sät-   tigbaren Blindleistungserzeugers 7 aber dadurch erzielt wird, dass an Stelle von an den Blindleistungserzeuger angelegten Spannungen in dem Kern des Blindleistungserzeugers   Kraftflüsse   einander überlagert werden. In dieser Schaltung hat der Blindleistungserzeuger 7 einen dreischenkeligen sättigbaren Kern. Der eine Schenkel trägt eine dem Verbraucher 1 parallelgeschaltete Wicklung 15, ein anderer Schenkel eine dem Netz parallelgeschaltete Wicklung 16.

   Die Windungszahlen dieser Wicklungen sind so gewählt, dass der resultierende Kraftfluss in dem dritten Schenkel des Kerns dem Wert 
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 frequente Spannung unter Verwendung der von dem sättigbaren Blindleistungserzeuger selbst erzeugten
Harmonischen erzeugen kann. Eine mathematische Analyse der Schaltungen zeigt, dass bei einer flachen
Sättigungscharakteristik, die zu einem   hohen"Anzapfverhältnis"n : (l-n) fuhrt,   eine maximale Verzerrung der Spannungswelle erzeugt wird und umgekehrt. Bei einer flachen Sättigungscharakteristik können die er-   zeugten Oberschw : Lngungsspannungen   vorteilhaft zur Erzeugung einer sehr starken Leerlaufspannung im
Oberschwingungsbereich verwendet werden.

   Man muss jedoch die an den Netzstromschienen liegende
Spannung mit Hilfe von an diese Stromschienen angeschlossenen   Oberschwingungsfiltern   so sinusförmig wie möglich machen. Unter diesen Bedingungen wird bei geöffnetem Stromkreis des Lichtbogenofens die
Spannung an dem von dem Oberschwingungsstrom durchflossenen Teil mit dem Verhältnis   l : (l-n)   ver- vielfacht, wobei n denselben Wert hat wie vorher. 



   Man kann auf diese Weise eine hohe Leerlaufspannung höherer Frequenz ohne Anwendung von Hoch- frequenzgeneratoren erzeugen. 



   Ein grosser Vorteil der Erfindung bei ihrer Anwendung auf einen Lichtbogenofen besteht darin, dass un- abhängig davon, ob der Lichtbogen gezündet oder gelöscht ist, die dem Netz entnommene Gesamtstrom- stärke praktisch konstant ist. Daher kann man den Leistungsfaktor bis auf relativ unbedeutende Schwan- kungen korrigieren, indem man dem Netz oder dem sättigbaren Blindleistungserzeuger einen Festkonden- sator parallelschaltet, der erforderlichenfalls mit Filtern kombiniert werden kann, um unangenehme Har- monische zu beseitigen. Dieses Merkmal ist auch bei Lichtbogenschweissgeräten von besonderem Vorteil, weil dort eine individuelle Hochfrequenzkorrektur wegen der starken   Belastungsschwankungen   Schwierig- keiten macht. 



   Fig. 10 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 8. In Fig. 10 wird der Verbraucher   l,   beispielsweise ein einphasiger Lichtbogenofen, über einen Transformator 3 vom Netz 2 gespeist. Der Kern des Transformators ist in Mantelbauweise ausgeführt und weist einen den Hauptkraftfluss führenden Schenkel 20, einen Schenkel 21 zur Verlagerung des Kraftflusses und einen ungesättigten Schenkel 22 auf, der in zwei Teile geteilt ist, die auf je einer Seite der Schenkel 20 und 21 angeordnet sind. 



  Der Schenkel 22 bildet einen ungesättigten Rückweg für den Kraftfluss. Die Primärwicklung 19 und die Sekundärwicklung 18 des Transformators umgeben sowohl den Hauptschenkel 20 als auch den Schenkel 21 zur Verlagerung des Kraftflusses. Eine dem Verbraucher l parallelgeschaltete weitere oder   Entwicklung   15 umgibt nur den Schenkel 21 zur Verlagerung des Kraftflusses. 



   Diese Anordnung ähnelt der in Fig. 8 dargestellten, von der sie sich jedoch in der Ausbildung und Wicklungsanordnung des Transformators unterscheidet. In der Anordnung ist eine Ausgleichswicklung nicht erforderlich, weil sowohl bei offenem als auch bei geschlossenem Stromkreis der Kraftfluss in demselben Schenkel konzentriert ist, während das Joch und der Schenkel, welcher einen Rückweg für den Kraftfluss bildet, ungesättigt bleiben.

   Das wesentliche Merkmal dieser Schaltung besteht darin, dass der Kraftfluss im Schenkel 21 dem Kraftfluss im Schenkel 20 entgegenwirkt, so dass bei einem durch die Netzspannung festgelegten Gesamtkraftfluss durch die Schenkel 20 und 21 das Anlegen einer den Kraftfluss verlagernden Spannung an den Schenkel 21 den Kraftfluss in dem Hauptschenkel 20 bis zur Sättigung treibt, wenn die von dem Lichtbogen des Ofens abgeleitete Spannung zur Verlagerung des Kraftflusses gross ist. 



   Gemäss Fig. 11 wird der Verbraucher 1 über einen Transformator 3 von einem Drehstromnetz 2 gespeist. Der Transformator besitzt drei je einer Netzphase zugeordnete Paare von Schenkeln 20 und 21. Wie in der vorherigen Anordnung umgibt jede Phase der Primärwicklung 19 beide Schenkel, während die dem Verbraucher 1 parallelgeschalteten Hilfswicklungen 15 nur die Schenkel 21 umgeben. 



   Diese Drehstromanordnung ist der Anordnung nach Fig. 10 analog, doch ist in diesem Fall für jede Phase der ungesättigte Rückweg für den Kraftfluss durch die den beiden andern Phasen zugeordneten Schenkel gegeben. 



   Im Betrieb ist unter Kurzschlussbedingungen der Kraftfluss in den Schenkeln 21 gleich. Null, so dass der Transformator wie ein üblicher Drehstromtransformator wirkt. Bei offenem Stromkreis erzwingen die Wicklungen 15 jedoch eine Umsteuerung des Kraftflusses in den Schenkeln 21. Da der Gesamt-Kraftfluss den durch die Primärwicklung erzwungenen Wert behalten muss, werden die den Hauptkraftfluss führenden Schenkel   gesättigt. -  
Die Erfindung wurde insbesondere an Hand von Lichtbogenöfen beschrieben, kann aber natürlich auch bei Lichtbogenschweissgeräten Anwendung finden, wobei für diesen Zweck die in Fig. 11 gezeigte Anordnung besonders zweckmässig ist.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Spannungsregler für ein-oder mehrphasige Netze, an den ein Verbraucher mit schwankendem An- schlusswert angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher über einen Transformator ge- speist wird, dessen Primärwicklung an zumindest einem Teil der Netzspannung anschliessbar und dessen Sekundärwicklung an den Verbraucher angeschlossen ist sowie einen sättigbaren Blindleistungserzeuger, der zum unverzüglichen Erreichen seiner Sättigung bei Belastungsschwankungen eingerichtet ist und an einer vom Netz abgeleiteten, von der Transformatorspannung abhängigen Spannung, z. B. dessen Primär- oder Sekundärspannung, liegt.

   2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sättigbare Drossel mit dem Lastkreis über eine in diesem eingeschaltete angezapfte Induktivität (6) in Verbindung steht.

   3. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzapfung der Induktivität (6) einstellbar ist.

   4. Spannungsregler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die angezapfte Indukti- vität (6) in Serie mit der Primärwicklung (4) des Trafos geschaltet ist.

   5. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungstrafo (3) eine hohe Streureaktanz besitzt und die sättigbare Drossel in Reihe mit einer Hilfswicklung (8) des Transforma- tors geschaltet ist, wobei diese unmittelbar mit dessen Sekundärwicklung (10) verbunden ist.

   6. Spannungsregler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung so ge- troffen ist, dass die Spannung an dem sättigbaren Blindleistungserzeuger E2/n = E+ (l-n)/nE beträgt, wobei EI die Netzspannung, E die am sättigbaren Blindleistungserzeuger liegende Spannung und E die Primärspannung des Transformators und n ein Bruchteil ist.

   7. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sättigbare Drossel an den Verbraucherkreis mittels eines Hilfstransformators (12) angeschlossen ist, dessen Primärwicklung über den Verbraucher geschlossen und dessen Sekundärwicklung mit der sättigbaren Drossel in Reihe geschaltet ist.

   8. Spannungsregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfstransformator und die sättigbare Drossel für jede Phase einen gemeinsamen Kern besitzen.

   9. Spannungsregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder gemeinsame sättigbare Kern drei Schenkel besitzt, von denen einer die Primärwicklung (15) des Hilfstransformators und ein zweiter die Wicklung (16) des sättigbaren Blindleistungserzeugers trägt und die drei Schenkel mit einer Ausgleichswicklung (17) verkettet sind.

   10. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher von dem Versorgungsnetzwerk über einen Versorgungstransformator gespeist wird, der einen sättigbaren Kern für jede Phase besitzt, wobei die sättigbare Drossel von der Primärwicklung (19) des Transformators gebildet wird und der sättigbare Kern eine Hilfswicklung (15) trägt, die über den Verbraucher geschlossen ist zur Kontrolle der Sättigung des Kernes in Übereinstimmung mit Spannungsschwankungen am Verbraucher.

   11. Spannungsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder sättigbare Kern drei Schenkel besitzt, von denen einer die Primär- (19) und die Sekundärwindung (18) des Transformators und ein zweiter die Hilfswicklung (15) trägt und alle drei Schenkel mit einer Ausgleichswicklung (17) verkettet sind.

   12. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungstransformator zusätzlich zu seinem den Hauptkraftfluss führenden Schenkel (20), einen Schenkel besitzt, der zur Verlagerung des Kraftflusses dient und eine Hilfswicklung (15) trägt, die über den Verbraucher geschlossen ist und die Hilfswicklung nur den Schenkel zur Verlagerung des Kraftflusses umgibt und so geschaltet ist, dass sie einen Kraftfluss erzeugt, der dem Kraftfluss in dem den Hauptkraftfluss führenden Schenkel entgegengesetzt ist, wobei die Primärwicklung (19) sowohl den den Hauptkraftfluss führenden Schenkel als auch den Schenkel zur Verlagerung des Kraftflusses umgibt, so dass der den Hauptkraftfluss führende Schenkel bei zunehmender Erregung der Hilfswicklung gesättigt wird.

   13. Spannungsregler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (18) des Versorgungstransformators die beiden Schenkel umgibt.

   14. Spannungsregler nach Anspruch 11 oder 12, insbesondere zum Anschluss an ein einphasiges Netz, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator mit einem dritten Schenkel versehen ist, der ungesättigt bleibt.

   15. Spannungsregler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schenkel in zwei Tei- <Desc/Clms Page number 6> le (22) geteilt ist, die auf je einer Seite der gewickelten Schenkel angeordnet sind, so dass eine Mantelausbildung erhalten wird.

   16. Spannungsregler nach Anspruch 11 oder 12, insbesondere zum Anschluss an ein mehrphasiges Netz, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformatorkern für jede Phase einen den Hauptkraftfluss führenden Schenkel (20) und einen sättigbaren Schenkel (21) besitzt, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass der Rückweg für den Kraftfluss von jeder Phase durch die den andern Phasen zugeordneten Schenkel gebildet wird.