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Digitale Kompensations-und Symmetrierungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine grosse Anzahl zweipoliger Verbraucher, wie Induktionsöfen, Schweissmaschinen u. dgl., die einphasig an Drehstromnetze angeschlossen werden. Diese Verbraucher haben eine hohe Leistungsaufnahme und belasten das Drehstromnetz in unzulässiger Weise unsymmetrisch. Durch kapazitive bzw. induktiveBlindwiderstände in den beiden andern Phasen kann die Symmetrie wieder hergestellt werden. Voraussetzung ist jedoch, dass der zweipolige Verbraucher einen ohmschen Widerstand darstellt. In der Praxis sind diese Verbraucher jedoch keine reinen Wirkwiderstände und ihr zumeist induktiver Blindanteil muss durch entsprechende Zuschaltung von Kapazitäten auf den Leistungsfaktor cos cl = 1 kompensiert werden.
Da sich der Wirk- und Blindanteil des zweipoligen Verbrauchers während des Arbeitsvorganges ver- ändern kann, muss die Kompensation des Blindanteils und somit auch die Symmetrierung ständig erfolgen. Vorteilhaft erfolgt dies selbsttätig mittels einer Regeleinrichtung ; derartige Einrichtungen sind mehrfach bekanntgeworden. Sie arbeiten entweder mit Messwerkregler (Fallbügelregler), dessen Messwerke Blind- bzw. Wirkleistungsmesser sind, oder nach dem Prinzip des Stromvergleichs der einzelnen Phasen, wobei die Differenz derselben polarisierte Relais steuert, die entsprechende Kapazitäten oder Induktivi- täten zur Kompensation und Symmetrierung über Schaltwalzen, Schaltschütze od. dgl. zu-bzw. abschalten.
Diese Regeleinrichtungen weisen jedoch Nachteile auf, so haben sie z. B. Dreipunktcharakteristik, geben also nur die Richtung der Abweichung, nicht jedoch deren Betrag an. Es werden also nacheinander so viel Kondensatoren zu-bzw. abgeschaltet, bis der cos Cf = 1 ist. Aus Gründen der Feinstufigkeit sind dabei eine grössere Anzahl Kondensatoren gleicher Kapazität vorzusehen, je mehr um so genauer die Regelung.
Das bedingt eine ebenso grosse Zahl von Schaltschützen und eine hohe Schalthäufigkeit, damit also grossen Verschleiss. Weiterhin werden für die Symmetrierung und die Kompensation je ein Regler benötigt, wobei aus prozessbedingten Gründen die Symmetrierung erst nach erfolgter Kompensation durchge- führt werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Mängel zu beseitigen. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die Phasenverschiebung des Verbrauchers und die Unsymmetrie des Drehstromnetzes auf eine Phasen-Winkelmessung zurückgeführt und mittels eines Messgliedes der Phasenwinkel periodisch abgetastet und in richtungsabhängige Impulse, deren Anzahl dem Betrag der Phasenverschiebung bzw. der Unsymmetrie proportional ist, umgewandelt wird.
Am Beispiel eines einphasigen Induktionsofens soll an Hand der Zeichnungen in den Fig. l - 4 die Erfindung näher erläutert werden.
In Fig. l ist ein einphasiger Induktionsofen 1 im Drehstromnetz RST dargestellt. Mit einer Kondensatorbatterie 2 soll der Blindanteil des Ofens kompensiert werden. Eine Kondensatorbatterie 3 und eine Induktivität 4 dienen zur Symmetrierung, wobei aus Fertigungsgründen der Einfluss der Induktivität 4 mit einer parallelgeschalteten Kondensatorbatterie 4a verändert wird. An Stelle der Kondensatorbatterie 4a könnte auch die Induktivität 4 stufenweise zu-bzw. abgeschaltet werden.
Die Kompensation erfolgt in der Weise, dass die Spannung URT mit einem Transformator 5 auf einen Mess-Trigger 6 über Umschaltkontakte 7 gegeben wird, der aus der Sinusschwingung mit f = 50 Hz, Rechteckimpulse von 10 msec Dauer und 10 msec Abstand formt. Mit dem Stromwandler 8 wird über den Transformator 9 eine dem Phasenstrom JRT proportionale Spannung U über Um-
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schaltkontakte 10 auf einen Mess-Trigger 11 gegeben, der wie der Mess-Trigger 6 Rechteckim pulse gleicher Dauer und Abstände formt. Die dem Phasenstrom JRT proportionale Spannung U soll
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Spannung URT am Mess-Trigger 6 verschoben sein. In einem Impulsteiler 12, der z. B. aus einem monostabilen Multivibrator und einem Negator bestehen kann, wird der Rechteckimpuls vom Mess-Trigger 6 in zwei gleiche Rechteckimpulse von 5 msec geteilt.
Unter einem Negator wird dabei eine Baustufe, z. B. mit einem Transistor verstanden, die ein Signal umkehrt. Der erste dieser Impulse wird auf ein Koinzidenzglied 13 und der zweite, der dem ersten gegenüber um'ff/2 verschoben ist, auf ein Koinzidenzglied 14 gegeben. Auf die Koinzidenzglieder 13,14 gelangen auch die Rechteckimpulse vom Mess-Trigger 11. Bei vollständiger Kompensation des Ofenblindstromes sind diese Impulse um 1800 gegen den Impuls vom Mess-Trigger 6 und somit auch gegen die geteilten Impulse vom Impulsteiler 12 verschoben, so dass sie im Koinzidenzglied 13 bzw. 14 nicht mit den geteilten Impulsen koinzidieren können. Es entsteht also am Ausgang vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 kein Impuls.
Ist der Phasenstrom JRT gegenüber der Spannung URT um den Phasenwinkel : kg phasenverschoben, so ist auch die Spannung U am Mess-Trigger 11 um den Winkel 180 ¯# gegenüber der Spannung URT am Mess-Trigger 6 phasenverschoben und es koinzidiert, je nach der Richtung der Phasenverschiebung des Phasenstromes JRT, der Rechteckimpuls vom Mess-Trigger 11 mit dem geteilten Impuls im Koinzi- denzglied 13 bzw. 14. Die Dauer des Ausgangsimpulses des Koinzidenzgliedes 13 bzw. 14 ist der Phasenverschiebung des Phasenstromes JRT proportional und gibt somit den Betrag des Phasenwinkels an.
Die Richtung des Phasenwinkels cp ist dadurch gegeben, dass der Ausgangsimpuls am Koinzidenzglied 13 oder 14 entsteht, d. h. mit welchem Teilimpuls vom Impulsteiler 12 der Rechteckimpuls vom Mess-Trigger 11 koinzidiert. Die Kondensatorbatterie 2 besteht im allgemeinen aus einer grösseren Anzahl parallelgeschalteter gleich grosser Kondensatoren, die durch Schaltschütze je nach Phasenwinkel zu-bzw. abgeschaltet werden. Die Grösse der Kondensatorkapazität richtet sich nach der verlangtenGenauigkeit, mit der der Phasenwinkel so kompensiert werden soll ; die Anzahl der Kondensatoren richtet sich nach dem maximal auftretenden Phasenwinkel cp und der geforderten Genauigkeit.
Es muss also für jeden Kondensator ein Schaltschütz vorgesehen werden, welches dann durch eineSchalt- walze bzw. mit Impulsen geschaltet wird. Die Zuschaltung der Kondensatoren kann nach beliebigem Code erfolgen z. B. nach dem dekadischen Code mit den Schaltschritten l, 2,3, 4,5 usw., oder nach dem Binär-Code mit den Schritten l, 2,4, 8, 16 usw. Beim letzteren Code werden Schütze eingespart und die Schalthäufigkeit verringert, jedoch müssen bei grösseren Stufen dieselben in Gruppen unterteilt werden, um unzulässig hohe Schaltströme zu vermeiden.
Damit die nach einem beliebigen Code geschalteten Kondensatoren gesteuert werden können, muss der den Phasenwinkel zip proportionale Impuls vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 in eine Anzahl von Einzelimpulse, deren Anzahl der Länge des Impulses vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 proportional ist, umgewandelt werden. Dazu wird der Ausgangsimpuls vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 auf einen Impulsformer 15 bzw. 16 gegeben. Die Impulsformer 15 ; 16 sind Koinzidenzglieder, auf deren einen Eingang obengenannte Impulse von den Koinzidenzgliedern 13 bzw. 14 gegeben werden. Auf dem ändern Eingang werden von einem Frequenzgenerator 17 über einenMess-Trigger 18 undeinKoinzidenzglied 19 Rechteckimpulse einer Fre- quenz von mehreren kHz gegeben.
Am Ausgang des Impulsumformers 15 bzw. 16 entstehen dann während derZeit, in der der Ausgangsimpuls vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 anliegt, Impulse mit der Frequenz des Frequenzgenerators 17. Dessen Frequenz wird durch die Anzahl der Impulse bestimmt, die während der Zeit des Ausgangsimpulses von Koinzidenzglied 13 bzw. 14 benötigt werden, um so viel Kondensa- toreinheiten der Kondensatorbatterie 2 dem Induktionsofen zu-bzw. abzuschalten, dass der Phasenwinkel ex kompensiertwird. Die Ausgangsimpulse vomimpulsumtbrmer 15 bzw. 16 werden auf einen Vor- Rückwärtszähler 20 über Umschaltkontakte 23 gegeben.
Je nach dem verwendeten Code ist die Anzahl der Ausgänge zu bemessen, denen je ein Impedanzwandler 21 nachgeschaltet ist, der über Hilfsrelais W.'.. W dann den Schaltschütz des Kondensators schaltet, der der Grösse des Impulses vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 entspricht. Die Ausgangsimpulse. vom Impulsumformer 15 werden in Vorwartsrichtung in den Vor-Rückwärtszähler 20 eingezählt, d. h. zu dem eventuell gespeicherten Wert addiert ; die Ausgangsimpulse vom Impulsumformer 16 werden in Rückwärtsrichtung eingezählt, d. h. von dem eventuell gespeicherten Wert subtrahiert.
Durch die richtige Dimensionierung einer ständig eingeschalteten Grundkapazität 2a zu den Schaltkapazitäten der Kondensatorbatterie 2 wird verhindert, dass der Vor-Rückwärtszähler 20 unter den Wert Null gezählt wird. Werden z. B. beim Bmär- Codevomimpulsumformer 15 zwanzigAusgangsimpulseaufdenVor-Rückwärtszähler 20 gegeben, in dem gerade eine "Zwei" gespeichert ist, d.
h. ein Hilfsschütz W2 erregt ist, so werden die Hilfsre-
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elf Ausgangsimpulse, so werden im Vor-Rückwärtszähler 2u von der gespeicherten "Zweiundzwanzig" elf Einheiten subtrahiert, damit fallen die Hilfsrelais w4 und w16 ab, während die Hilfsrelais wl und Wg erregt werden, Hilfsrelais w2 bleibtweiterhinerregt. Die Erfassung der Messwerte erfolgt durch eine von der Netzfrequenz gesteuerte Zeit, ebenso die Umschaltung von Kompensation auf Symmetrierung und umgekehrt, auf folgende Weise. Eine Wechselspannung mit 50 Hz wird auf einen Mess-Trigger 24 gegeben, dersieinRechteckimpulsevon10msecDauer und 10 msec Abstand umformt.
Diese Impulse gelangen auf einen Frequenzuntersetzer 25, aus dem Impulse von 20 msec Dauer und Abstand und Impulse von 10, 2 sec Dauer und Abstand entnommen werden. Die 20 msec Impulse werden auf das Koinzidenzglied 19 gegeben, ebenso die Impulse von 10, 2 sec Dauer des Ausganges A vom Frequenzuntersetzer 25, die über einen monostabilen Multivibrator 26 mit 25... 30 msec Impulsdauer in eben dieser Zeit auf das Koinzidenzglied 19 gelangen. Von dem Frequenzgenerator 17 über den MessTrigger 18 gelangen ständig Impulse hoher Frequenz an das Koinzidenzglied 19, die jedoch nur beim gleichzeitigen Vorhandensein der Impulse vom monostabilen Multivibrator 26 und der Impulse vom Frequenzuntersetzer 25 auf den Impulsumformer 15 bzw. 16 gelangen können.
Die Impulsfolge am Ausgang des Impulsumformers 15 bzw. 16 wird dann in der Dauer durch den Impuls vom Koinzi- denzgiied 13 bzw. 14 bestimmt und ist dem Phasenwinkel cp proportional.
Nach 20 msec ist der Impuls vom Frequenzuntersetzer 25 beendet, damit können vom Koinzidenzglied 19 keine Impulse mehr auf den Impulsumformer 15 bzw. 16 gelangen. Nach 20 msec gelangt vom Frequenzuntersetzer 25 wieder ein Impuls auf das Koinzidenzglied 19 ; da inzwischen 25...
30 msec vergangen sind und somit vom monostabilen Multivibrator 26 kein Impuls air Koinzidenzglied 19 anliegt, werden die Impulse hoher Frequenz nicht an den Impulsumformer 15 bzw. 16 weitergegeben. Der Phasenwinkel so zwischen Phasenstrom JRT und der Spannung URT wird also um 20 msec, d. h. eine Sinusschwingung, periodisch alle 20, 4 sec in Impulse umgeformt. In 10, 2 sec nach der Phasenwinkelmessung der Kompensation wird vom Frequenzuntersetzer 25, Ausgang A', wieder ein Impuls von 10, 2 sec Dauer abgegeben. Dieser Impuls schaltet über einen monostabilen Multivibrator 27 mit einer Impulszeit von ca. 0, 5 sec und einen Impedanzwandler 28 ein Relais 29.
Dieses schaltet mit seinen Umschaltkontakten 7 und 10 die Regeleinrichtung über den Transformator 40 an einen den Strom JR erfassenden Stromwandler 30 und über einen Transformator 31 an eine Spannung URO'und mit seinen Umschaltkontakten 23 an einen Vor-Rückwärtszähler 32, um die Symmetrierung durchzuführen. Bekanntlich ist dann das Drehstromnetz symmetriert, wenn der Strom JR mitderSpannung URO in Phase liegt, jede Unsymmetrie wird durch eine Phasenverschiebung zwischen JR und URO angezeigt. Der Mess- und Regelvorgang verläuft ebenso wie bei der Kompensation. Da die Symmetrierung nicht so feinstufig erfolgen wird, ist für die Impulsfolgebildung im Impulsumformer 15 bzw. 16 eine andere Frequenz erforderlich.
Die Frequenz von einigen kHz wird einem Frequenzgenerator 33 entnommen und über eine Mess-Trigger 34 auf ein Koinzidenzglied 35 gegeben.
Mit dem Impulsbeginn vom Ausgang A'des Frequenzuntersetzers 25 wird auch ein 20 msec Impuls vom Frequenzuntersetzer 25 auf einen Negator 36 gegeben, der den Impuls negiert und so- mit nach 20 msec d. h. den invertierten Impulsabstand von 20 msec auf das Koinzidenzglied 35 gibt.
Gleichzeitig wird der Impuls vom Ausgang A'des Frequenzuntersetzers 25 über einen monostabilen Multivibrator 37 mit der Impulszeit von zirka 45 msec auf das Koinzidenzglied 35 gegeben.
Liegen der invertierte Impulsabstand von 20 msec vom Negator 36 und der am Ausgang A'anste- hende Impuls vom monostabilen Multivibrator 37 gemeinsam an dem Koinzidenzglied 35, dann gelangen die Rechteckimpulse vom Frequenzgenerator 33 über Mess-Trigger 34 und Koinzidenzglied 35 auf den Impulsumformer 15 bzw. 16. Dadurch wird der Impuls vom Koinzidenzglied 13 bzw.
14, der dem Phasenwinkel # zwischen Strom JR und Spannung URO entspricht, in eine Anzahl proportionaler Impulse umgeformt, die unter Berücksichtigung des Vorzeichens in den Vor-Rückwärtszähler 32 eingezählt werden. Am Ausgang des Vor-Rückwärtszählers 32 werden die entsprechenden Kondensatoren bzw. Drosselstufen über Impendanzwandler 38 und Hilfsrelais 39 zu-bzw. abgeschaltet. NachderImpulszeit vom monostabilen Multivibrator 27 fällt das Relais 29 ab und die Umschaltkontakte 7 ; 10 und 23 schalten vorbereitend auf Kompensation um.
Durch den Negator 36 wird eine Verzögerungszeit von 20 msec erzielt, damit das Relais 29 ansprechen kann, ohne dass ein
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Impulsumformerhängige von eventuellen Phasenverschiebungen zwischen dem Drehstromnetz und der 50 Hz Spannung vom Frequenzuntersetzer 25, übereine Sinusschwingung der Messwert erfasst werden kann. Mit drei gleichen
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Widerständen 41 wird ein Sternnetz nachgebildet, so dass die Spannung URO abgegriffen werden kann. Zur Messung kann auch eine Spannung UST herangezogen werden, da der Strom JR senkrecht darauf steht, und muss dann zwischen Mess-Trigger 11 und Koinzidenzglied 14 ein Negator geschaltet werden, um die gleiche Einrichtung zur Symmetrierung zu verwenden.
Infolge der hohen Zahlfrequenz (mehrere liliz) und der relativ grossen Anzugs- und Abfallzeit von Schaltschützen, werden diese während des Einzählens in den Vor-Rückwärtszähler 32 nicht ab-bzw. zugeschaltet. Die Zu- und Abschaltung erfolgt erst, wenn nach dem Zählvorgang die Hilfsrelais w1... w16 bzw. 39 der entsprechenden Wertigkeit eingeschaltet bleiben. Die Schalthäufigkeit wird dadurch stark herabgesetzt, da durch den neuen Speicherwert nur die Schaltschütze betätigt werden, die entsprechend dem Speicherwert und ihrer Wertigkeit nicht benötigt werden. In Fig. 2 ist das Impulsschema für die Entstehung der Impulsfolge pro- portional zum Phasenwinkel # aufgetragen, wonach mit B/C - H/I die geteilten Impulse der Span-
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RT nachImpulsumformer 15 bzw. 16 (Fig. l) ist.
Fig. 3 und 4 stellen das Impulsschema der Steuerung dar. Darin ist gemäss Fig. 3 der Impuls vom ausgang A des Frequenzuntersetzers 25 nach dem monostabilen Multivibrator 26 (Fig. l) und j der Impuls 20 msec vom Frequenzuntersetzer 25. Die Rechteckimpulse k vom Frequenzgenerator 17 werden über den Mess-Trigger 18 (Fig. l) und die Ausgangsimpulse 1 vom Koinzidenzglied 19 auf
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vibrator 37 (Fig. 1,) der Impuls m und der Impuls n der invertierte 20 msec-Abstand vom Frequenzuntersetzer 25 nach dem Negator 36 (Fig. 1,) o die Rechteckimpulse vom Frequenzgenera-
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den auf den Impulsumformer 15 bzw. 16 (Fig. 1) zur Symmetrierung gegeben. Während der Dauer des Impulses q vom Ausgang A'des Frequenzuntersetzers 25 nach dem monostabilen Multivibrator 27 (Fig. 1,) bleibt das Relais 28 Fig. 1 erregt.
Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung kann selbstverständlich auch zur Kompensation bzw. zur Symmetrierung allein verwendet werden. Dann entfallen die zur Umschaltung und die zusätzlich zum Messteil für die Symmetrierung bzw. zur Kompensation benötigten Bausteine nach Fig. 1. Das sind der monostabile Multivibrator 27, der Impedanzwandler 28, das Relais 29 mit seinen Umschaltkontakten 7,10 und 23, der Frequenzgenera- tor 17 bzw. 33 mit Mess-Trigger 18 bzw. 34, sowie die entsprechenden Stromwandler 8 bzw. 30 und die Transformatoren 5 ; 9, bzw. 31 ; 40 einer der Vor-Rückwärtszähler 20 bzw. 32 mit den zugehörigen Impedanzwandlern 21 bzw. 38, den Hilfsrelais w1...w16 bzw. 39 sowie den entsprechenden Schaltschützen. Bei Wegfall der Symmetrierung entfallen die Widerstände 41.
Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung kann auch für Induktionsöfen höherer Speisefrequenz als 50 Hz (Mittelfrequenz-Induktionsöfen) zur Kompensierung benutzt werden. Ist die Speisefrequenz so hoch, dass die dem Phasenwinkel cl proportionale Impulszahl, d. h. die Impulsfrequenz, die Grenzfrequenz der Bausteine überschreitet, so kann die gleiche Einrichtung verwendet werden. Es wird jedoch nicht mehr der dem Phasenwinkel proportionale Impuls in eine proportionale Anzahl Impulse umgeformt, sondern dieser Impuls wird mit einem monostabilen Multivibrator nach dem Koinzidenzglied 13 bzw. 14 auf eine
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Zählimpuls eine Kondensatoreinheit zur Kompensation zu-bzw. abgeschaltet werden kann und beim nächsten Zählimpuls schon wirksam ist.
Die Frequenzgeneratoren 17 ; 33 und die Mess-Trigger 18 ; 34 können entfallen, so dass nur die Kompensationsbausteine erforderlich sind. Die Anzeige des Phasenwinkels cp nach Betrag und Phase mit einem Drehspulinstrument kann erfolgen, wenn parallel zu den Impulsumformern 15undo6 und 16 je ein Impedanzwandler geschaltet wird, die von den Koinzidenzgliedern 13
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pulse in ein analoges Signal umgeformt und auf das Messwerk gegeben. Diese Anzeige ist exakt, wenn mit der Regeleinrichtung nur die Kompensation oder die Symmetrierung durchgeführt wird, d. h. der Messwert ständig an einer Messeinrichtung anliegt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Digitale Kompensations- und Symmetrierungseinrichtung, bei der an einemphasenstrang eines Drehstromnetzes angeschlossene zweipolige komplexe Verbraucher vorhanden sind, deren Leistungsfaktor auf den cos zo = 1 kompensiert, wobei durch Blindwiderstände zwischen den andern Phasensträngen die
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cherspannung (URT) über einen Transformator (5) und Umschaltkontakte (7) einen Mess-Trigger (6) beaufschlagt, der mit einem Impulsteiler (12) und mit diesem gekoppelten Koinzidenzgliedern (13 ;
14) verbunden ist und dass der über einen Stromwandler (8), einen zweiten Transformator (9) und Umschaltkontakte (10) geführte und bei vollständiger Kompensation um 180 gegen die Verbraucherspannung verscho-
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AusgangsimpulseüberImpulsumformer (15 ; 16) in eine dem Phasenwinkel (9) proportionale Anzahl von Impulsen umgeformt werden.
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Mess-Trigger (11) und Koinzidenzglied (14) in zum Phasenwinkel (cp) proportionale Impulse umgewandelt wird.
4. EinrichtungnachdenAnsprüchenlbis3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpulse der Impulsumformer (15:16) auf Vor-Ruckwartszahler (20; 32) geschaltet sind, die in beliebiger Codierung über Impedanzwandler und Hilfsrelais (w,... w ; 39), Schaltschütze steuern.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dassImpulse hoher Frequenz eines Frequenzgenerators (17) über einen Mess-Trigger (18) und ein Koinzidenzglied (19) die Impulsumformer (15 ; 16) beaufschlagen und von einem Frequenzuntersetzer (25) und vom Ausgang (A) desselben über einen monostabilen Multivibrator (26) auf das Koinzidenzglied geschaltet sind.
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Digital compensation and balancing device
The invention relates to a large number of two-pole consumers, such as induction furnaces, welding machines and the like. Like. That are single-phase connected to three-phase networks. These consumers have a high power consumption and load the three-phase network in an unacceptably asymmetrical manner. The symmetry can be restored by capacitive or inductive reactive resistances in the other two phases. However, the prerequisite is that the two-pole consumer represents an ohmic resistance. In practice, however, these consumers are not pure resistances and their mostly inductive reactive component must be compensated for by adding capacities to the power factor cos cl = 1.
Since the active and reactive component of the two-pole consumer can change during the work process, the compensation of the reactive component and thus also the balancing must take place continuously. This advantageously takes place automatically by means of a control device; such facilities have become known several times. They work either with a measuring device controller (drop bracket controller), whose measuring devices are reactive or active power meters, or according to the principle of current comparison of the individual phases, whereby the difference between the same controls polarized relays, the corresponding capacities or inductances for compensation and balancing via switching drums, Contactors or the like. switch off.
However, these control devices have disadvantages. B. three-point characteristic, so only indicate the direction of the deviation, but not its amount. So there are successively so many capacitors or. switched off until the cos Cf = 1. For reasons of fine grading, a larger number of capacitors of the same capacitance should be provided, the more the control is more precise.
This requires an equally large number of contactors and a high switching frequency, which means great wear. Furthermore, one controller each is required for the balancing and the compensation, whereby for process-related reasons the balancing can only be carried out after the compensation has been carried out. The invention is based on the object of eliminating the deficiencies indicated. This task is achieved in that the phase shift of the consumer and the asymmetry of the three-phase network are traced back to a phase angle measurement and the phase angle is periodically sampled by means of a measuring element and converted into direction-dependent pulses, the number of which is proportional to the amount of the phase shift or the asymmetry .
Using the example of a single-phase induction furnace, the invention will be explained in more detail with reference to the drawings in FIGS. 1-4.
In Fig. 1, a single-phase induction furnace 1 is shown in the three-phase network RST. The reactive component of the furnace is to be compensated with a capacitor battery 2. A capacitor bank 3 and an inductor 4 are used for balancing, the influence of the inductor 4 being changed with a capacitor bank 4a connected in parallel for manufacturing reasons. Instead of the capacitor bank 4a, the inductance 4 could also be increased or decreased in stages. be switched off.
The compensation takes place in such a way that the voltage URT is given with a transformer 5 to a measuring trigger 6 via changeover contacts 7, which forms square pulses of 10 msec duration and 10 msec interval from the sinusoidal oscillation with f = 50 Hz. With the current transformer 8, a voltage U proportional to the phase current JRT is transmitted via transformer 9 via
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Switching contacts 10 are given to a measuring trigger 11, which, like the measuring trigger 6, forms rectangle pulses of equal duration and spacing. The voltage U soll, which is proportional to the phase current JRT
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Voltage URT at the measurement trigger 6 may be shifted. In a pulse divider 12, the z. B. can consist of a monostable multivibrator and an inverter, the square pulse from the measurement trigger 6 is divided into two equal square pulses of 5 msec.
A construction stage, e.g. B. understood with a transistor that reverses a signal. The first of these pulses is applied to a coincidence element 13 and the second, which is shifted by ff / 2 with respect to the first, is applied to a coincidence element 14. The square pulses from the measuring trigger 11 also reach the coincidence elements 13, 14. With complete compensation of the furnace reactive current, these pulses are shifted by 1800 against the pulse from the measuring trigger 6 and thus also against the divided pulses from the pulse divider 12, so that they are in Coincidence element 13 or 14 cannot coincide with the divided pulses. So there is no pulse at the output of the coincidence element 13 or 14.
If the phase current JRT is out of phase with the voltage URT by the phase angle: kg, the voltage U at the measurement trigger 11 is also phase shifted by the angle 180 ¯ # with respect to the voltage URT at the measurement trigger 6 and it coincides, depending on the direction the phase shift of the phase current JRT, the square pulse from the measuring trigger 11 with the divided pulse in the coincidence element 13 or 14. The duration of the output pulse of the coincidence element 13 or 14 is proportional to the phase shift of the phase current JRT and thus gives the amount of the phase angle on.
The direction of the phase angle cp is given by the fact that the output pulse is generated at the coincidence element 13 or 14, i. H. with which partial pulse from pulse divider 12 the square pulse from measurement trigger 11 coincides. The capacitor bank 2 generally consists of a larger number of capacitors of the same size connected in parallel, which are closed or closed by contactors depending on the phase angle. be switched off. The size of the capacitor depends on the required accuracy with which the phase angle is to be compensated; the number of capacitors depends on the maximum occurring phase angle cp and the required accuracy.
A contactor must therefore be provided for each capacitor, which is then switched by a switching drum or with pulses. The connection of the capacitors can be done according to any code z. B. according to the decadic code with the switching steps l, 2,3, 4,5 etc., or according to the binary code with the steps l, 2,4, 8, 16 etc. The latter code saves contactors and the switching frequency reduced, but with larger stages they must be divided into groups in order to avoid impermissibly high switching currents.
So that the capacitors switched according to any code can be controlled, the pulse proportional to the phase angle zip from coincidence element 13 or 14 must be converted into a number of individual pulses, the number of which is proportional to the length of the pulse from coincidence element 13 or 14. For this purpose, the output pulse from the coincidence element 13 or 14 is sent to a pulse shaper 15 or 16. The pulse shapers 15; 16 are coincidence elements, on one input of which the above-mentioned pulses are given by the coincidence elements 13 and 14, respectively. At the other input, a frequency generator 17 sends square-wave pulses of a frequency of several kHz via a measurement trigger 18 and a coincidence element 19.
At the output of the pulse converter 15 or 16 then arise during the time in which the output pulse from the coincidence element 13 or 14 is present, pulses with the frequency of the frequency generator 17. The frequency is determined by the number of pulses generated during the time of the output pulse from Coincidence element 13 or 14 are required to add or remove as many capacitor units of the capacitor battery 2 to the induction furnace as possible. switch off that the phase angle ex is compensated. The output pulses from the pulse generator 15 or 16 are sent to an up / down counter 20 via switchover contacts 23.
Depending on the code used, the number of outputs is to be measured, each of which is followed by an impedance converter 21, which then switches the contactor of the capacitor via auxiliary relay W. '.. W, which corresponds to the size of the pulse from the coincidence element 13 or 14. The output pulses. from the pulse converter 15 are counted in the forward direction in the up-down counter 20, d. H. added to any stored value; the output pulses from the pulse converter 16 are counted in the reverse direction, i.e. H. subtracted from the possibly stored value.
Correct dimensioning of a constantly switched-on basic capacitance 2a to the switching capacitances of the capacitor bank 2 prevents the up / down counter 20 from being counted below the value zero. Are z. In the case of the Bmär code pulse converter 15, for example, twenty output pulses are given to the up-down counter 20 in which a "two" is currently stored, i.
H. an auxiliary contactor W2 is energized, the auxiliary contacts are
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Eleven output pulses are subtracted in the up / down counter 2u from the stored "twenty-two" eleven units, so that the auxiliary relays w4 and w16 drop out, while the auxiliary relays wl and Wg are energized, the auxiliary relay w2 remains energized. The measurement values are recorded using a time controlled by the mains frequency, as is the switchover from compensation to balancing and vice versa, in the following way. An alternating voltage with 50 Hz is applied to a measurement trigger 24, which converts it into rectangular pulses of 10 msec duration and 10 msec intervals.
These pulses reach a frequency divider 25 from which pulses of 20 msec duration and spacing and pulses of 10.2 sec duration and spacing are taken. The 20 msec pulses are sent to the coincidence element 19, as are the 10.2 seconds duration of the output A from the frequency divider 25, which reach the coincidence element 19 via a monostable multivibrator 26 with a pulse duration of 25 ... 30 msec . From the frequency generator 17 via the measurement trigger 18, high-frequency pulses are constantly sent to the coincidence element 19, which can only reach the pulse converter 15 or 16 if the pulses from the monostable multivibrator 26 and the pulses from the frequency divider 25 are present at the same time.
The pulse sequence at the output of the pulse converter 15 or 16 is then determined in terms of duration by the pulse from the coincident 13 or 14 and is proportional to the phase angle cp.
After 20 msec the pulse from the frequency divider 25 is ended, so that no more pulses can reach the pulse converter 15 or 16 from the coincidence element 19. After 20 msec another pulse is sent from the frequency divider 25 to the coincidence element 19; since 25 ...
30 msec have passed and there is therefore no pulse air coincidence element 19 from the monostable multivibrator 26, the high frequency pulses are not passed on to the pulse converter 15 or 16. The phase angle between the phase current JRT and the voltage URT is thus 20 msec. H. a sine wave, periodically transformed into pulses every 20.4 seconds. In 10.2 seconds after the phase angle measurement of the compensation, the frequency divider 25, output A ', again emits a pulse of 10.2 seconds duration. This pulse switches a relay 29 via a monostable multivibrator 27 with a pulse time of approximately 0.5 seconds and an impedance converter 28.
This switches with its changeover contacts 7 and 10 the control device via the transformer 40 to a current transformer 30 which detects the current JR and via a transformer 31 to a voltage URO 'and with its changeover contacts 23 to an up / down counter 32 to carry out the balancing. As is known, the three-phase network is balanced when the current JR is in phase with the voltage URO; any asymmetry is indicated by a phase shift between JR and URO. The measurement and control process is the same as for the compensation. Since the balancing is not done so finely, a different frequency is required for the pulse train formation in the pulse converter 15 or 16.
The frequency of a few kHz is taken from a frequency generator 33 and sent to a coincidence element 35 via a measurement trigger 34.
With the start of the pulse from output A 'of the frequency divider 25, a 20 msec pulse is also sent from the frequency divider 25 to an inverter 36, which negates the pulse and thus after 20 msec d. H. gives the inverted pulse interval of 20 msec to the coincidence element 35.
At the same time, the pulse from the output A ′ of the frequency divider 25 is sent to the coincidence element 35 via a monostable multivibrator 37 with a pulse time of approximately 45 msec.
If the inverted pulse spacing of 20 msec from the inverter 36 and the pulse from the monostable multivibrator 37 pending at the output A 'lie together at the coincidence element 35, then the square-wave pulses from the frequency generator 33 reach the pulse converter 15 or the pulse converter 15 via measurement trigger 34 and coincidence element 35 16. This causes the impulse from the coincidence element 13 or
14, which corresponds to the phase angle # between the current JR and the voltage URO, is converted into a number of proportional pulses which are counted into the up / down counter 32 taking into account the sign. At the output of the up / down counter 32, the corresponding capacitors or throttle stages are added or removed via impedance converters 38 and auxiliary relays 39. switched off. After the pulse time from the monostable multivibrator 27, the relay 29 drops out and the changeover contacts 7; 10 and 23 switch over to compensation in preparation.
A delay time of 20 msec is achieved by the inverter 36, so that the relay 29 can respond without a
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Pulse converter-dependent of possible phase shifts between the three-phase network and the 50 Hz voltage from the frequency divider 25, the measured value can be recorded via a sinusoidal oscillation. With three of a kind
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A star network is simulated with resistors 41 so that the voltage URO can be tapped. A voltage UST can also be used for the measurement, since the current JR is perpendicular to it, and an inverter must then be connected between the measurement trigger 11 and the coincidence element 14 in order to use the same device for balancing.
As a result of the high number frequency (several liliz) and the relatively long pick-up and drop-off times of contactors, they are not counted down or counted down into the up / down counter 32. switched on. The connection and disconnection only takes place if the auxiliary relays w1 ... w16 or 39 of the corresponding value remain switched on after the counting process. The switching frequency is greatly reduced because the new memory value only actuates the contactors that are not required according to the memory value and their value. In Fig. 2, the pulse scheme for the creation of the pulse sequence is plotted in proportion to the phase angle #, according to which the divided pulses of the span with B / C - H / I
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RT after pulse converter 15 or 16 (Fig. 1).
3 and 4 show the pulse scheme of the control. In this, according to FIG. 3, the pulse from the output A of the frequency divider 25 after the monostable multivibrator 26 (FIG. 1) and j the pulse 20 msec from the frequency divider 25. The square-wave pulses k from The frequency generator 17 is generated via the measurement trigger 18 (FIG. 1) and the output pulses 1 from the coincidence element 19
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vibrator 37 (Fig. 1,) the pulse m and the pulse n the inverted 20 msec distance from the frequency divider 25 to the inverter 36 (Fig. 1,) o the square pulses from the frequency generator
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given to the pulse converter 15 or 16 (Fig. 1) for balancing. During the duration of the pulse q from the output A 'of the frequency divider 25 after the monostable multivibrator 27 (Fig. 1), the relay 28 Fig. 1 remains energized.
The control device according to the invention can of course also be used alone for compensation or for balancing. The modules according to FIG. 1 required for switching and the additional components for the measuring section for balancing or compensation are then omitted. These are the monostable multivibrator 27, the impedance converter 28, the relay 29 with its switching contacts 7, 10 and 23, the frequency generator gate 17 or 33 with measurement trigger 18 or 34, as well as the corresponding current transformers 8 or 30 and the transformers 5; 9 or 31; 40 one of the up / down counters 20 or 32 with the associated impedance converters 21 or 38, the auxiliary relays w1 ... w16 or 39 and the corresponding contactors. If the balancing is omitted, the resistors 41 are omitted.
The control device according to the invention can also be used for compensation for induction furnaces with a higher feed frequency than 50 Hz (medium frequency induction furnaces). If the feed frequency is so high that the number of pulses proportional to the phase angle cl, i.e. H. If the pulse frequency exceeds the limit frequency of the modules, the same device can be used. However, the pulse proportional to the phase angle is no longer converted into a proportional number of pulses, but this pulse is converted to one with a monostable multivibrator after the coincidence element 13 or 14
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Counting pulse a capacitor unit for compensation to or. can be switched off and is already effective with the next count pulse.
The frequency generators 17; 33 and the measurement trigger 18; 34 can be omitted, so that only the compensation modules are required. The phase angle cp can be displayed according to magnitude and phase with a moving-coil instrument if an impedance converter is connected in parallel to the pulse converters 15undo6 and 16, which is controlled by the coincidence elements 13
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pulse is converted into an analog signal and sent to the measuring mechanism. This display is exact if only the compensation or the balancing is carried out with the control device, i. H. the measured value is constantly applied to a measuring device.
PATENT CLAIMS:
1. Digital compensation and balancing device in which there are two-pole complex loads connected to a phase line of a three-phase network, whose power factor is compensated to cos zo = 1, with the reactance between the other phase lines
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chers voltage (URT) applied via a transformer (5) and changeover contacts (7) to a measurement trigger (6), which is connected to a pulse divider (12) and coincidence elements (13;
14) is connected and that it is routed via a current transformer (8), a second transformer (9) and changeover contacts (10) and, when fully compensated, is offset by 180 against the consumer voltage.
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Output pulses are converted into a number of pulses proportional to the phase angle (9) via pulse converters (15; 16).
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Measurement trigger (11) and coincidence element (14) are converted into pulses proportional to the phase angle (cp).
4. Device according to claims to 3, characterized in that the output pulses of the pulse converters (15:16) are switched to pre-reverse counters (20; 32) which control contactors in any coding via impedance converters and auxiliary relays (w, ... w; 39) .
5. Device according to claims 1 to 3, characterized in that high-frequency pulses from a frequency generator (17) are applied to the pulse converters (15; 16) via a measurement trigger (18) and a coincidence element (19) and are transmitted by a frequency divider (25). and are switched from the output (A) of the same to the coincidence element via a monostable multivibrator (26).