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Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der in einem Drehstrom-Dreileiter-Netz fliessenden
Phasenströme
Bei manchen mit Drehstrom gespeisten Verbrauchern treten zufolge verschiedener Phasenimpedanzen trotz Speisung durch ein symmetrisches Spannungssystem starke Unterschiede in den einzelnen Phasenleistungen auf. Z. B. treten beim Betrieb von Drehstromöfen infolge der vor allem aus der geometrischen Anordnung der Hochstromzuleitungen resultierenden ungleichen Impedanzen der einzelnen Phasen starke Unsymmetrien in den Phasenströmen auf. Diese Erscheinungen im Ofenbetrieb sind seit langem bekannt und haben sich unter der Bezeichnung "tote Phase" und "scharfe Phase" in der Praxis eingeführt. Die Folge ist, dass der Leistungsumsatz in den drei Phasen ungleichmässig ist.
Abgesehen davon, dass die Ofenbetriebsführung damit erschwert ist, treten auch Schäden in der Ofenausmauerung und erhöhter Elektrodenverbrauch in der scharfen Phase auf. Ausserdem kann die installierte Leistung des Transformators und der Zuleitungen nur in einer Phase voll ausgenutzt werden, was besonders bei grossen und grössten Anlagen von Nachteil ist.
Es wurden verschiedene Vorschläge für die Lösung dieses Problemes gemacht. So wurde vorgeschlagen, die Symmetrierung der Phasenleistungen durch Einschalten von zusätzlichen Reaktanzen in einer oder zwei Phasen zu erreichen (österr. Patentschrift Nr. 181899 bzw. schwed. Patentschrift Nr. 155 148).
Auch ist es bekannt, bei im wesentlichen nebeneinander liegenden Phasenleitern die beiden äusseren und damit ungleich belasteten Phasenleiter zusätzlich induktiv miteinander zu koppeln (deutsche Patentschrift Nr. 874042), durch entsprechende geometrische Anordnung der Teilleiter der beiden äusseren Phasen dafür zu sorgen, dass die resultierenden Reaktanzen der einzelnen Phasen gleich werden (DAS 1 036999) oder die Leiter der sogenannten scharfen Phase als Primärwicklung eines um die Leiter gebauten Transformators auszubilden, dessen Sekundärwicklung einen Ohmschen Verbraucher speist (DAS 1 118 877), um solchermassen eine symmetrische Lastverteilung auf die drei Phasen zu erzielen.
Über diese Vorschläge ist tatsächlich eine volle Symmetrierung von Lichtbogenöfen mittlerer Leistung möglich, wenn durch die Elektrodenregelung der Herdwiderstand einigermassen konstant gehalten wird. Diese Arten der Symmetrierung bewirken auch eine symmetrische Belastung des speisenden Netzes. Der wesentliche Nachteil dieser Verfahren, die also durch Einfügen passiver Schaltelemente die Symmetrierung herbeiführen, besteht jedoch darin, dass die Blindleistung vergrössert wird und damit der Leistungsfaktor abnimmt. Die Typenleistung des Ofentransformators muss erheblich grösser werden, wenn der Wirkleistungsumsatz gegenüber der nicht symmetrierten Anlage erhalten bleiben soll.
Zuweilen aber liegen die Dinge auch so, dass eine bestimmte ungleiche Leistungsaufteilung auf die einzelnen Phasen durchaus erwünscht ist, weil eine solche z. B. den thermischen Verhältnissen eines bestimmten Ofens besser entspricht, als eine streng gleichmässige Leistungsaufteilung. In solchen Fällen ist eine ungleiche Leistungsabgabe unter den einzelnen Elektroden sogar erstrebenswert.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg zur gewollten Beeinflussung der in den einzelnen Phasen umgesetzten Leistung aufzuzeigen, sei es im Sinne einer strengen Symmetrierung dieser Leistungen oder etwa einer den speziellen Ofenverhältnissen angepassten Differenzierungen der Leistungsabgaben unter den einzelnen Elektroden.
Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der in einem DrehstromDreileiter-Netz fliessenden Phasenströme zum Zwecke einer Symmetrierung oder bewussten Herbeiführung einer bestimmten Unsymmetrie der Dreiphasenströme, insbesondere Beeinflussung der Leistungsabgabe unter den einzelnen Elektroden eines Drehstrom-Lichtbogenofens mit durch geeignete Elektrodenregelung konstant und gleich gross gehaltenen Herdwiderständen in den drei Phasen, indem dem speisenden, symmetrischen Spannungssystem ein zusätzliches, symmetrisches, jedoch gegenläufiges Spannungssystem überlagert wird, dessen Spannungen nach Grösse und Phasenlage aus der Bedingung resultieren,
dass das im Netz bei symmetrischer Spannungsspeisung auftretende Gegenstromsystem durch das aus der Spannungsüberlagerung resultierende Gegenstromsystem kompensiert oder gegebenenfalls mit dem Ziel einer
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gewollten Unsymmetrie der Phasenleistungen bewusst nur teilweise oder überkompensiert wird, wobei in erfindungsgemässer Weise das Gegenspannungssystem über einen in Reihe mit der Sekundärwicklung des Ofentransformators liegenden Drehstrom-Serientransformator oder über zwei in den Aussenphasen der Ofenzuleitungen in Reihe mit der Sekundärwicklung des Ofentransformators liegende Einphasentransformatoren in primärer V-Schaltung eingefügt wird.
Das der erfindungsgemässen Schältungsanordnung zugrunde liegende, in andern Zusammenhängen an sich bekannte Symmetrierungsprinzip soll nachstehend an Hand der Fig. 1 näher erläutert werden.
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wobei, wie beim Rechnen mit symmetrischen Komponenten üblich, a=- (l/2+ j/2i 3) und a2=-(1/2-j/2#3) bedeutet.
Da ein Drehstrom-Dreileiter-Netz vorausgesetzt ist (also kein Null-Leiter vorhanden ist) muss die Summe der Ströme Null sein und erhält man bei Zerlegung dieses Stromsystems in symmetrische Kompo-
EMI2.3
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Stromaufteilung !'i, , ! g, die man wieder in ein Mit- und ein Gegenstromsystem aufspalten kann, nämlich
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Da das ganze Netz ein lineares System darstellt, gilt das Superpositionsprinzip. Wird an das System ein unsymmetrisches Spannungssystem gelegt, dargestellt durch Mm und Mj. so niessen die Ströme, die durch die Mit- und Gegenstromsysteme dargestellt werden. Im Gegenständlichen Fall wird das Netz symmetrisch gespeist, wenn sich die beiden Gegenstromsysteme zu Null ergänzen. ig+ig=0.....(8).
Daraus ergibt sich die Bestimmungsgleichung für die Grösse und Phasenlage der Spannungen für das lem speisenden Spannungssystem zu überlagernde Gegenspannungssystem zu
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Wird also ein durch obige Gleichung nach Grösse und Phasenlage eindeutig bestimmtes Gegenspannungsystem z. B. einem Drehstromlichtbogenofen samt Zuleitungen zusätzlich aufgedrückt, so fliesst trotz ver- chiedener Phasenimpedanzen ein reines Mit-Stromsystem und ist somit eine Symmetrierung der drei
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Phasenleistungen erzwungen. Wird nun durch eine geeignete Elektrodenregelung der Herdwiderstand konstant und in allen drei Phasen gleich gross gehalten, oder ist etwa bei einem Widerstandsofen diese
Bedingung sowieso erfüllt, so ist auch der Wirkleistungsumsatz in jeder Phase gleich gross.
Ist der Herdwiderstand konstant, so ist, wie aus Gleichung (9) hervorgeht, auch die erforderliche Phasenlage des
Gegenspannungssystems konstant.
Ein Gegenspannungssystem nach Gleichung (9) ist also dem Ofensystem aufzudrücken, was in erfindungsgemässer Weise über einen Drehstromserientransformator erfolgt. Fig. 2 gibt hiefür das Schalt- bild. Der Ofentransformator 1 hat eine in Stern geschaltete Primärwicklung 3, die mittels eines Lastregel- schalters 4 in ihrer Windungszahl veränderlich ist. Die Sekundärwicklung 5 liefert dann ein symmetrisches
Spannungssystem für die Speisung des Ofens 6. Dazwischen wird erfindungsgemäss ein Drehstrom-
Serientransformator mit der Hochstromwicklung 7 geschaltet. In der Wicklung wird das Gegen- spannungssystem nach Gleichung (9) aufgedrückt. Die Speisung des Serientransformators 2 erfolgt im dargestellten Fall aus der Zwischenkreiswicklung 8 des Haupttransformators 1.
Die Zwischenkreis- wicklung 8 gibt eine der an der Sekundärwicklung 5 auftretenden Sekundärspannung proportionale Span- nung an die Primärwicklung 9 des Serientransformators 2. Die Primärwicklung 9 ist in bekannter Weise mit Schwenkwicklungen 10 zur Herstellung der richtigen Phasenlage nach Gleichung (9) versehen.
Ein derartig symmetrierter Ofenkreis ist für alle am Transformator 1 einstellbaren Spannungen mit einem symmetrischen Stromsystem belastet. Da ein Grossteil der Kosten einer Ofenanlage im Hochstromteil steckt, und dieser durch die Symmetrierung höher ausgenutzt wird, ist der Aufwand für den
Symmetriertransformator auch wirtschaftlich vertretbar.
Der Serientransformator kann auch über einen vom Ofentransformator 1 magnetisch getrennten, jedoch vom selben oder einem synchron laufenden Fremdnetz gespeisten Erregertransformator erregt werden, wobei die Phasenlage des Gegenspannungssystems festgelegt, seine Grösse jedoch veränderlich ist.
Damit wird erreicht, dass die unter den einzelnen Elektroden umgesetzte Leistung durch eine einfache Spannungsregelung willkürlich beeinflusst wird. Das ist für den Betrieb eines Ofens dann von Bedeutung, wenn die thermischen Verhältnisse eines Ofens beeinflusst werden sollen. In einem solchen Fall ist also eine Differenzierung der unter den einzelnen Elektroden umgesetzten Leistungen durchaus erwünscht und wird eine bestimmte Leistungsunsymmetrie sogar angestrebt. Auch eine solche gewollte Leistungsunsymmetrie lässt sich in Befolgung des erfindungsgemässen Vorschlages erzielen, indem in erfindungsgemässer Weise das von den ungleichen Impedanzen herrührende Gegenstromsystem durch Überlagerung eines zusätzlichen gegenläufigen Spannungssystems nur teilweise oder überkompensiert wird.
Statt, wie in Fig. 2 dargestellt, das Gegenspannungssystem über einen Drehstrom-Serientransformator einzufügen, ist es auch möglich, das Gegenspannungssystem über zwei in den äusseren Phasen der Ofenzuleitungen liegende Einphasentransformatoren mit primärer V-Schaltung einzufügen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der in einem Drehstrom-Dreileiter-Netz fliessenden Phasenströme zum Zwecke einer Symmetrierung oder bewussten Herbeiführung einer bestimmten Unsymmetrie der Dreiphasenströme, insbesondere Beeinflussung der Leistungsabgabe unter den einzelnen Elektroden eines Drehstrom-Lichtbogenofens mit durch geeignete Elektrodenregelung konstant und gleich gross gehaltenen Herdwiderständen in den drei Phasen, indem dem speisenden, symmetrischen Spannungssystem ein zusätzliches, symmetrisches, jedoch gegenläufiges Spannungssystem überlagert wird, dessen Spannungen nach Grösse und Phasenlage aus der Bedingung resultieren,
dass das im Netz bei symmetrischer Spannungsspeisung auftretende Gegenstromsystem durch das aus der Spannungsüberlagerung resultierende Gegenstromsystem kompensiert oder gegebenenfalls mit dem Ziel einer gewollten Unsymmetrie der Phasenleistungen bewusst nur teilweise oder überkompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenspannungssystem über einen in Reihe mit der Sekundärwicklung (5) des Ofentransformators (1) liegenden Drehstrom-Serientransformator (2) oder über zwei in den Aussenphasen der Ofenzuleitungen in Reihe mit der Sekundärwicklung des Ofentransformators liegende Einphasentransformatoren in primärer V-Schaltung eingefügt wird.