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Schalteinrichtung zur Regelung der Wirkleistung eines zweipolig und frequenzkonstant gespeisten Verbrauchers, der zur Induktionserwärmung dient
Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung, womit wesentlich induktive Verbaucher, vorzugsweise Induktionsöfen u. dgl. in ihrer Wirkleistungsaufnahme geregelt werden, z. B. im Bereich von Voll-bis Halblast, ohne dass dabei der Leistungsfaktor eine störende Veränderung erfährt.
Die vorgenannte Aufgabe ist nach dem Stand der Technik durch einen Regeltransformator gelöst, der dem mittels Parallelkondensatoren voll auskompensierten Verbraucher vorgeschaltet ist. Der Nachteil dieser Einrichtung ist durch den erheblichen Aufwand eines Regeltransformators gegeben, der zudem für eine feinstufige Regelung wegen des Erfordernisses sehr vieler Regelkontakte und Wicklungsausführungen wenig geeignet ist und der sich insbesondere sehr kostspielig erweist, wenn gleichzeitig eine Höhertransformierung der Speisespannung erwünscht ist. Ferner ist bei grösseren Leistungen eine Regelung unter Last praktisch undurchführbar. Der Vorteil der Anordnung ist jedoch in dem Umstand begründet, dass der Leistungsfaktor vom Regelvorgang nicht beeinträchtigt wird.
Unter Wahrung dieses Vorteiles besorgt die Erfindung eine sehr feinstufige Leistungsregulierung und ausserdem eine erwünschteHöhertransformierung der Spannung am Verbraucher unter Einsparung des Regeltransformators. Die Erfindung betrifft demnach eineSchalteinrichtung zur Regelung der Wirkleistung eines zweipolig und frequenzkonstant angespeisten Verbrauchers, der zur Induktionserwärmung dient und dem zur Kompensation Parallelkondensatoren beigeschaltet sind, die dadurch gekennzeichnet ist, dass dem Verbraucher und seinen Parallelkondensatoren ein Serienkondensator vorgeschaltet ist, der an diesen eine bei Nennlast erwünschte, vorzugsweise höhere Spannung als die Speisespannung bewirkt, und dass ein kapazitiver oder gegebenenfalls ein induktiver Blindwiderstand zwischen den beidenSpeiseklemmen liegt,
der durch seine Bemessung eine Verlegung des Ursprunges, der bezogen ist auf den die Ortskurve für den resultierenden Widerstand der Parallelschaltung aus dem Verbraucherwiderstand und dem der Parallelkondensatoren bildenden Kreis, nach dem nunmehr für die gesamteSchaltung geltenden neuen Ursprung bewirkt, der in der Richtung der imaginären Achse auf der Höhe liegt, wobei die Höhe von der Abszisse etwa bis zum entsprechenden Scheitelpunkt des Kreises reicht, vorzugsweise jedoch etwas geringer ist, so dass der regelbare resultierende Widerstand der Gesamtschaltung praktisch ohmisch ist,
wobei also dessen Zeiger vom neuen Ursprung ausgehend im wesentlichen parallel zur reellen Achse verläuft und bei einer Regelung der Wirkleistung durch Zu- oder Abschalten von Parallelkondensatorstufen der Leistungsfaktor innerhalb eines erwünschten Regelbereiches einen bestimmten Wert, vorzugsweise gleich Eins, mit Abweichung in zulässigen Grenzen beibehält.
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jenige des an dieSpannungsquelle direkt angeschlossenenKondensators. Gegebenenfalls kann anstelle des kapazitiven Widerstandes yz der induktive xz einer Drossel treten.
Die Wirkungsweise dieser Schalteinrichtung wird durch das Zeigerdiagramm in Fig. 2 interpretiert.
Nach der Ortskurventheorie ist die Ortskurve für den resultierenden Widerstand der Parallelschaltung aus dem Verbraucherwiderstand hr und dem der Parallelkondensatoren yp der Kreis K. Im Ausführungsbeispiel
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handelt es sich um einen Netzfrequenz-Induktionsofen, der auf Grund seiner Grösse und der Höhe seiner Nennleistung bei praktisch gut ausführbarer Induktionsspule eine Betriebsspannung von 1100 V erfordert, die auch von listenmässigen Kondensatoren erstellt werden kann.
Demnach sind dem Verbraucher bei Nennlast (Vollast) so viele Parallelkondensatoren zugeschaltet, dass der Arbeitspunkt A am Kreis K erreicht ist. Nun ist noch ein Serienkondensator mit dem kapazitiven
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voll auskompensiert, denn der Widerstand K weist eine restliche induktive Komponente auf.
Die Nennwirkleistung folgt aus der Speisespannung Un mit (Un/%) mal der Widerstands-Wirkkomponente von R. Um die Leistung herunterzuregeln, z. B. auf Halblast, werden Parallelkondensatoren zugegeben, so dass der Arbeitspunkt Al erreicht wird. Wie aus dem Diagramm zu ersehen ist, wird dabei de ; zu speisende Widerstand mit R1 stärker induktiv, d. h., es verschlechtert sich der Leistungsfaktor.
Der direkt an die Speisequelle geschaltete Kondensator behebt diesen Mangel. Um die betreffende Konstruktion im Diagramm zu erläutern, wird auf die Analysisfigur in Fig. 3 hingewiesen, welche diese Konstruktion allgemein beschreibt : Es. handelt sich um die Parallelschaltungsoperation für einen festen Zeiger pull (Ursprung 0) und allen Zeigern R2, deren Ortskurve der Kreis K bezüglich des Ursprunges 0 ist.
Die Konstruktion geht darauf aus, die graphische Operation der Parallelschaltung unter Beibehaltung der kreisförmigen Ortskurve zu vollziehen, woraus eine Änderung des Ablesemassstabes für den resultierenden Widerstand3Uolgt. Die folgende Regel ist nachgewiesen : Die Potenz P des Ursprungpunktes 0 ir
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tangente).
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zw.sprung 0 ausgehen, gleich m (1 cm = m Ohm), dann ist derjenige für die Zeiger der resultierenden Widerstände K, deren Ursprung O' ist, gleich
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wobei P'die Potenz des Ursprunges 0'in bezug auf den Kreis K bedeutet.
Ist nun der Zeiger des resultierenden Widerstandes der Parallelschaltung R für den besonderen Fall de
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von l1 mit. einernmäss Gleichung 2
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woraus folgt
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Ist beispielsweise h = 2y., dann folgt yz = Ys'Mit h = Ys ergibt die Gleichung (4) yz x #, d.h. es ist kein Zusatzkondensator erforderlich, weil ohnehin die günstigen Verhältnisse vorliegen, bei denen im Zuge der Leistungsregulierung der Gesamtwiderstand '? praktisch ohmisch bleibt.
Die zu A um
A, gehörigen Arbeitspunkte A'und Al'im Diagramm nach Fig. 2, die infolge des zusätzlichen Netzkon densators wirksam sind, finden sich durch Umschlagen über den Spiegelpunkt gemäss der in Bild 3 vorge führten Konstruktion.
Ändert sich bei der Leistungsregulierung der Gesamtwiderstand der Schaltung ohne den zusätzliche
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unter Mitwirkung des zusätzlichen Kondensators mit dem kapazitiven Widerstand yz, bemessen nach Gleichung (4), nunmehr von%"nach'. Bis auf eine kleine Richtungsänderung bleibt also der Gesamtwiderstand im Zuge des Regelvorganges ohmisch.
Für die Handhabung des Zeigerdiagrammes in Fig. 2 ist es zweckmässig, denMassstab der Widerstandszeiger bezüglich des Ursprunges 0 beizubehalten. Dann sind die Zeiger bezüglich des Ursprunges 0'mit dem entwertenden Faktor (y /h) zu multiplizieren, der sich aus. der Massstabsumrechnung gemäss Gleichung (3) ergibt, da y und h2 die Potenzen der Punkte 0 und 0'sind.
Die Auslegung derSchalteinrichtung ermittelt sich nach dem folgenden Gedankengang : Der Verbraucherwiderstand ist vorgegeben und damit auch der Kreis K in Fig. 2. Ferner liegt der erwünschte Regelbereich fest, beispielsweise Voll- bis Halblast, wobei z. B. verlangt wird, dass die Netzbelastung ohmisch
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mittelten Höhe h der Widerstand yz des direkt an die Speiseklemmen angeschlossenen Kondensators.
Die Daten des behandelten Ausführungsbeispieles gemäss Diagramm in Fig. 2 sind die folgenden. Die
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demnach aus dem Diagramm die Betriebsspannung 930 V zu entnehmen, so dass dessen Blindleistung sich ergibt mit Ns = 9302/ys.
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Der zusätzliche Kondensator beansprucht also nur einen relativ kleinen Anteil an der Blindleistung, der natürlich nicht zusätzlich aufzuwenden ist, da ja alle Kondensatoren, gleichgültig ob sieparallel zum Verbraucher, zu diesem in Serie oder direkt an das Netz geschaltet sind, gleichermassen zur Kompensation beitragen. Abgesehen von den Parallelkondensatorenstufen zum Zweck des Herunterregelns der Leistung beansprucht die Erfindung keinen zusätzlichenAufwand anKondensatorleistung.
Sie beruht lediglich auf der besonderen Aufteilung des ohnehin zur Kompensation des Verbrauchers benötigten Kondensatorenparks auf die Zweige einer neuartigen Schaltung. Dennoch wird damit ein teurer Regeltransformator eingespart und dessen Funktion durch eine überaus feinstufige Regelung mittels der Erfindung weitaus übertroffen. Im Gegensatz zum Regeltransformator lassen sich nämlich mit einfachen und billigen Mitteln an Hand der Kondensatoren viele, sehr feine Regelstufen einrichten. Mit n schaltbaren Kondensatoreinheiten im Grössenverhältnis 1 : 2 : 4 : 8... können 2n Regelstuf n erstellt werden.
Der zusätzliche, an den Speiseklemmen liegende Blindwiderstand bedarf keiner besonders genauen Bemessung. Auch wenn der Regelbereich nicht genau mittig auf der Kreiskuppe in Fig. 2 oder 4 liegt, sind die Schwankungen des Leistungsfaktors noch erträglich. Eine Verlagerung des Regelbereiches aus der Mitte der Kreiskuppe, z. B. nach rechts, wird zuweilen bewusst angestrebt. Dann liegt der Arbeitspunkt A' für Nennlast ziemlich genau in der Mitte der Kreiskuppe, so dass bei erwünschtem Leistungsfaktor gleich Eins und Einregelung auf Nennlast-was viel häufiger vorkommt als die Regelung auf eine Teillast-selbst die allergeringste Schwankung des Leistungsfaktors ausgeschaltet ist.
Die Berechnung der erforderlichen Parallelkondensatoren vorzuführen, erübrigt sich hier, weil nur der Serienkondensator und der an dieSpeiseklemmen angeschlossene Kondensator die Erfindung betreffen, zumal sie die Aufgabe bewältigen, eine erwünschte Spannungserhöhung zu bewirken und eine Leistungsregelung ohne Beeinträchtigung des Leistungsfaktors einzurichten. Jedoch ist einerseits die aufgezeigte Leistungsregelung von der Einrichtung einesSerienkondensators untrennbar und anderseits ist durch dieAnwendung des Zusatzkondensators oder gegebenenfalls einer Drossel, die direkt an die Speiseklemmen angeschlossen werden, die Bemessung des Serienkondensators von jeglicher Beschränkung freigemacht, die ansonsten die Bedingung, die Leistung ohne eine Beeinträchtigung des Leistungsfaktors regeln zu können, erfordern würde.
Wenn schon ein Serienkondensator für die Erstellung der Leistungsregelung vonnöten ist, so kann nun dessen Bemessung ohne Rücksicht auf das Regelverhalten der Schalteinrichtung auf eine erwünschte Spannungstransformation ausgerichtet werden.
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Mit dem Zeigerdiagramm nach Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel angesprochen, bei dem eine Drossel an die Spannungsquelle angeschlossen ist, um die Leistungsregulierung vermittels der Parallelkondensatorstufen zu ermöglichen, bei der der Leistungsfaktor praktisch unveränderlich gleich Eins bleibt. Auch hier gelten die zum Diagramm nach Fig. 2 dargelegten Erläuterungen. Als Besonderheit tritt lediglich die Wahl des Ursprunges 0 zutage, der hier nicht unterhalb, sondern oberhalb des Ursprunges 0'angeordnet ist. An Stelle des kapazitiven Widerstandes yz nach Fig. 2 bewirkt nunmehr der induktive Widerstand xz
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keinesfalls zu dem primären Zweck der Höhertransformierung der Spannung am Verbraucher. Allein die Leistungsregulierung erfordert den Serienkondensator. Dessen Bemessung jedoch ist vollkommen freigestellt.
Sie kann dergestalt sein, dass eine Höhertransformierung der Verbraucherspannung eintritt oder auch nicht, ja sogar eine Heruntersetzung der Verbraucherspannung gegenüber der Netzspannung ist durchaus möglich, wenn auch praktisch von fraglichem Wert. Dass trotz der Freizügigkeit in der Bemessung des Serienkondensators die Leistungsregelung stets ohne Beeinträchtigung des Leistungsfaktors wirksam ist, dafür sorgt der in Form eines Kondensators oder einer Drossel direkt an der Spannungsquelle liegende Blindwiderstand. In einem Sonderfall kann dieser auch gleich oo sein, wenn nämlich der Serienkondensator sc bemessen ist, dass ohnehin der Regelbereich auf der Kreiskuppe liegt.
Die vorgeführte Schaltung und Regeleinrichtung ist für einen bestimmten Verbraucher mit dem komplexen Widerstand Jeo anwendbar. Nun ist der bei einem Induktionsschmelzofen gegebene Verbraucherwiderstand beispielsweise mit dem Beschickungsgrad veränderlich. Eine vektorielle Änderung des Widerstan- dest, wobei dessen Zeigerspitze vom Kreis K abweicht, ändert dessen Durchmesser. Bei nur teilweise : Chargierung des Netzfrequenz-Induktionsofens z. B. ist der Kreis K grösser als bei voller Füllung. Allemal ist jedoch die Spannung am Ofen durch die Belastbarkeit der Parallelkondensatoren begrenzt. Also muss
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halten werden.
Somit wird für das grössereDiagramm die dazu ähnliche Konstruktion nach Fig. 2 verlangt, wonach bei grösserem Kreisdurchmesser zufolge der entsprechend grösseren Widerstände eine im gleichen Verhältnis kleinere Leistungsaufnahme des Ofens abzusehen ist. ys und h und damit gemäss Gleichung (4) auch yz sind dem jeweiligen Kreisdurchmesser zu proportionieren. Aus diesem Grunde ist sowohl der Serienkondensator als auch der Zusatzkondensator bzw. die Drossel, die direkt am Netz liegen, in Stufen schaltbar ausgeführt. Vorzugsweise und zweckmässigerweise sind gleichwertige Stufen des Serien- und Zusatzkondensators bedienungsmässig gekoppelt, so dass sich die erforderlichen p. oportionellen Verhältnisse stets von selbst ergeben.
Die beschriebene Leistungsregelung ist im Grunde genommen eine Regelung des Widerstandes eines Schaltungsverbandes, in welchen der eigentliche Verbraucher eingeschleift ist. Die Vergrösserung des Widerstandes durch Zuschalten von Parallelkondensatoren bewirkt bei einem spannungskonstanten Netz eine Heruntersetzung der Leistung. Die Einrichtung kann aber ebensogut für eineKonstantstromspeisung verwendet werden, wo die genannte Vergrösserung des Widerstandes jedoch eine Leistungserhöhung bewirkt. Eine solcheKonstantstromspeisung ist praktisch schon dann gegeben, wenn viele Verbraucher inSeriegeschaltet an einem Spannungsnetz liegen und jeder Verbraucher für sich mittels der Schalteinrichtung nach der Erfindung auf Nennlast geregelt wird.
Die Regeleinrichtung ist jedoch dann unwirksam, wenn die Speisequelle einen inneren Widerstand aufweist, der gleich dem der Schaltungseinrichtung ist. Es ist dies der Fall der sogenannten Anpassung.
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