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Phasentransformator.
Die Erfindung betrifft einen Stromumformer, insbesondeie für elektrische Öfen.
Bei grösseren elektrischen Heizöfen mit Bogenbeheizung ist es nötig, vier obere, bewegliche Elektroden zu verwenden, um, bei Einhaltung praktischer Abmessungen für die Elektroden, die Wärme über das Metallbad oder die sonstige Beschickung des Ofens (die im nachstehenden der Einfachheit halber als "Metall" bezeichnet ist) zu verteilen. Diese vier Elektroden sind gewöhnlich senkrecht über dem Metallbad angeordnet und leiten gleich grosse Strommenge, um zwischen ihren Enden und der Metall-
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die Widerstände gleich sind. Es ist demnach bei Dreiphasenwechselstrom erforderlich, die drei Phasen in vier gleiche Phasen umzuformen, derart, dass, wenn die vier Bögen gleiche Ströme entnehmen, auch aus den drei Primärleitungen gleiche Ströme entnommen werden.
Vom metallurgischen Standpunkt aus ist es ferner wichtig, dass sich die vier Sekundärströme nicht im Gleichgewicht befinden, d. h., dass die Vektorsumme dieser vier Ströme nicht gleich Null ist, sondern einen verfügbaren Stromüberschuss für eine gemeinschaftliche fünfte Rücldeitung ergeben, wobei dieser rückkehrende Stromzwecks Erreichung des bestenErgebnisses für gewöhnlich mindestens gleich demjenigen einer der vier Phasen sein muss, aber, wenn auch bei geringerer Wirkung, kleiner sein kann. Dieser Rück-
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den Phasen fliessen in wagreehter Richtung. Wenn der senkrechte Strom demjenigen einer der vier Phasen gleich ist oder ihn übersteigt, wird den metallurgischen Anforderungen Genüge geleistet.
Um das beste Ergebnis zu erhalten, ist ein Vierphasenstrom erforderlich, dessen Phasen unter sich in bezug auf die neutrale alle gleich sind, und ferner ein neutraler Rückstrom, der denjenigen einer der Phasen übertreffen oder ihm mindestens gleich sein muss ; man erhält somit ein vierphasiges Fünfleitersystem, dessen Leiter ähnliche Abmessungen haben können.
Ein Vierphasenstrom kann mittels eines Zweiphasensystems von Scottverbindungen hergestellt werden ; dies erfordert jedoch das Äquivalent von vier Umformern mit sechs Verbindungsgruppen auf der Hochspannungsseite ; oder, wenn nur zwei Umformer verwendet werden, so sind die vier Phasen einfach zwei parallele Gruppen von je zwei Phasen, d. h. ein System, das Nachteile besitzt.
Gemäss der vorliegenden Erfindung können aus drei Einphasenumformern oder aus einem Dreiphasenumformer vier gleiche Phasen erhalten werden, derart, dass das System auf der Dreiphasenprimärseite bis zu einer zulässigen Grenze ausgeglichen ist, wenn jeder der vier Sekundärphasen ein gleicher Strom entnommen wird und der oben erwähnte gemeinschaftliche Rückstrom vorhanden ist ; ferner bleiben die Ströme in den drei Primärphasen möglichst ausgeglichen, wenn die vier Phasen infolge mangelhafter Elektrodenregelung ungleich werden.
Zu diesem Zweck kann bei einem Dreiphasenumformer gemäss der Erfindung das Umformungverhältnis von zwei der drei Einphasenumformer oder von zwei der zusammengehörigen Gruppen von Primär-. und Sekundärwicklungen des einzigen Dreiphasenumformers gleich gemacht werden und das rniformungsverhältnis des dritten Umformers oder der dritten Gruppe von zusammengehörigen Primärund Sekundärwicklungen des einzigen Umformers einen etwa 20% grösseren Wert erhalten, als dasjenige der beiden anderen.
Wenn daher die drei Primärwicklungen der drei Umformer oder des einzigen Dreiphasenumformers beispielsweise einander gleichwertig angesehen werden, so werden von den drei Sekundär-
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wicklungen der drei Umformer oder des einzigen Umformers zwei in bezug aufeinander gleichwertig gemacht und die Enden derselben mittels Leitungen gesondert, an zwei der Elektroden angeschlossen ; die dritte Sekundärwicklung wird, gleiche Primärverhältnisse vorausgesetzt, von einem um etwa ein Sechstel geringeren Wert als die zwei anderen gemacht und ihre Enden werden durch je eine Leitung an einen Zwischenpunkt einer der zwei anderen Sekundärwicklungen angeschlossen.
Zwecks Verbindung mit der fünften im Ofenherd angeordneten Elektrode ist sie mittels einer fünften oder neutralen Rückleitung in ihrem mittleren Teil verbunden. Wenn anderseits die Anzahl der Windungen bei allen Sekundärwicklungen als gleichwertig angesehen wird, so werden zwei der Primärwicklungen einander gleich gemacht, während die dritte Primärwicklung einen etwa 20% grösseren Wert als jede der zwei anderen erhält, um dem obenerwähnten Umformungsverhältnis zu entsprechen. Die Anzahl von Windungen in den betreffenden Wicklungen und die Punkte der beiden gleichen Sekundärwicklungen, an die die Enden der dritten und gegebenenfalls ungleichen Wicklung angeschlossen sind, werden so gewählt, dass den erwähnten Anforderungen entsprochen werden kann.
Die Primärwicklungen können in jedem Fall entweder nach der Stern-oder Deltaschaltung miteinander verbunden werden.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 und 2 zeigen schematisch passende Umformeranordnungen zur Erzeugung von vier gleichen Phasen mit vier Elektroden und einem Ausgleichstrom für einen Rückleiter und einer fünften Elektrode, wie oben beschrieben, mittels einer Dreiphasen"Umformera-nlage". Diese Figuren zeigen die Wicklungen eines einzigen Dreiphasenumformers oder von drei Einphasenumformern.
Fig. 3 zeigt ein weiter unten näher erwähntes Schema.
Die drei Primärwicklurgen 40, B 0 und 00 (Fiig. 1 und 2) sind im Punkt 0 nach der Sternschaltung miteinander verbunden und sind im gewählten Beispiel untereinander gleichwertig, da sie die gleiche Anzahl Windungen besitzen. V T, Z Y und W X sind die drei Sekundäi Wicklungen, von denen zwei, nämlich W X und Z Y gleichwertig sind, da sie gleiche Windurgszahlen besitzen, während die dritte, V T, einen abweichenden, kleineren Wert hat, da sie weniger Windurgen besitzt. So sollen z.
B. die
Wicklungen W X und Z Y annähernd je 20% mehr Windungen haben als V T, d. h, wenn die Primär- wicklungen einander gleich sind, kann das Verhältnis der Windungszahl in den Wicklungen W X und Z Y zu derjenigen in der Wicklung V T ungefähr 6 zu 5 betragen, so dass das Umformungsverhältnis der
Wicklungen 4. 0, VT einen ungefähr 20% grösseren Wert hat, als dasjenige der beiden anderen Wicklungs- gruppen B 0, Z Y und C 0, 1 Z. Die entgegengesetzten Enden der Wicklung TV X können durch
Leitungen a und b an zwei Elektroden 1 bzw. 2 und diejenigen der Wicklung Z Y ähnlich an Elektroden 3 bzw. 4 angeschlossen sein.
Die Enden der dritten Sekundärwicklung V T sind in Zwisehenpunkten K bzw. L an die beiden anderen Wicklungen W X und Z Y angeschlossen. Diese Zwischenpunkt L und K sind so gewählt, dass die Windungen in den Sekundärwicklungen Z Y und W X in zwei Teile, im Verhältnis von 7 zu 17 geteilt sind (Fig. 2). Im Mittelpunkt M der dritten Sekundärwicklung V T ist eine
Leitung e (Fig. 1) angeschlossen, die diese Wicklung mit der festliegenden neutralen Elektrode N des
Herdes verbindet und die gemeinschaftliche neutrale Leitung des Sekundärsystems bildet.
Wenn die
Wicklungen so bemessen, angeordnet. und verbunden sind und die elektromotorischen Kräfte und die mit EI bzw. P (Fig. 2) gezeichneten Ströme in den Primäiwicklurgen so ausgeglichen sind, werden die elektromotorischen Kräfte zwischen den Elektroden 1, 2, 3 und 4 und der neutralen Elektrode N auch gleich sein, wie in E2 (Fig. 2) angedeutet ist, so dass wenn die Widerstände zwischen den Elektroden 1, 2, : ;
und 4 und der fünften oder neutralen Elektrode N gleich sind, die zwischen jeder der vier Elektroden
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leitung e zwischen der neutralen Elektrode N und dem Mittelpunkt M der Wicklurg V T der zur Befrie- digung der oben erwähnten metallurgischen Anforderungen nötige Strom zurückfliessen.
Wenn die Sekundärwicklungen gleich-, die Primärwicklungen dagegen ungleichwertig gemacht werden, muss das erwünschte Umformungsverhältnis der einen Wicklungsgruppe in bezug auf die beiden anderen 5 zu 6 betragen. So würde bei einer Anordnung, wie sie Fig. 1 und 2 zeigt, aber unter den eben erwähnten veränderten Bedingungen, die Anzahl Windungen in der Primärwicklung A 0 um 20% grösser sein, als in den Wicklungen B 0 und C 0.
Es lässt sich leicht nachweisen, dass die vorstehend beschriebene Anordnung der Umformerwicklungen und Elektroden alle oben erwähnten, erforderlichen Bedingungen erfüllt.
Fig. 3 zeigt in einem Vektordiagramm das Schema der Verbindungen, wenn für die Primärwick- lungen die Sternschaltung zugrunde gelegt wird. Hier ist die Anordnung getroffen, dass das Umformungverhältnis der Wicklurgsgruppe A 0-V T (Fig. 2) um 20% grösser ist, als die Umformungsverhältnisse der Wieklungsgruppen CO-IFZ und BÖ-Z Y, die gleich sind. In der Praxis lassen sich diese Um- formungsverhältnisse auf beliebige Weise herstellen. Wenn z.
B. die Sekundärwicklungen alle gleich sind, so würde, wie bereits erwähnt, die Anzahl der Windungen oder Spiralen der Primärwicklung A 0 um etwa 20% grösser sein, als diejenige der Primärwicklungen B 0 und C O (Fig. 2) ; es soll jedoch als Beispiel angenommen werden, dass die Umformungsverhältnisse durch die Anzahl Windungen auf der Sekundärseite dargestellt sind, während die Primärwindungen alle gleich angenommen sind.
Dies voraus-
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gesetzt, müssten die Windungen jeder der Sekundärwicklungen Z Y und W X nach Möglichkeit in den Punkten L und K in zwei Teile, etwa im Verhältnis von 7 zu 17 geteilt sein, wie Fig. 1 und 2 zeigen, obschon in der Praxis der leichteren Herstellung wegen diese Zwischenpunkt anders verteilt und in den anderen Wicklungen Korrekturen gemacht werden können, um das gleiche Ergebnis herbeizuführen.
In dem Schema gemäss Fig. 2 werden die in der Richtung W-X, V-T und Z-Y verlaufenden Ströme als positiv bezeichnet und auch die Buchstabenbezeichnung erfolgt in dieser Richtung, so dass die Bezeichnung W K bedeutet, dass der Strom von W nach K fliesst.
Für den Strom zwischen der Elektrode 1 und dem neutralen Leiter N ist also zu rechnen : 17 nach K + T nach M ; da aber der Strom im mittleren Transformator von V nach T fliesst, also entgegengesetzt gerichtet ist wie der Strom T-M so wird der Strom in der Elektrode I als W K + M T, letzteres verkehrt genommen, gerechnet werden müssen.
Diese Bezeichnung ist im folgenden durchaus beibehalten :
Bei Zugrundelegung der in Fig. 1 und 2 geschilderten Verhältnisse ist der Spannungsunterschied zwischen der Elektrode 1 und der neutralen Elektrode N gleich W K + M T umgekehrt. In dem Vektorschema nach Fig. 3 kann dies durch die Linien Oe und Od dargestellt werden, die die Resultate O ! ergeben.
Ähnlich kann der Spannungslinterschied zwischen der Elektrode 2 und der neutralen Elektrode N durch K X umgekehrt plus M T umgekehrt dargestellt werden. Im Schema (Fig. 3) ist dies durch die Linien Oe und Od dargestellt, die die Resultante 02 ergeben. Ähnlich findet man den Spannungsünter- schied zwischen den Elektroden 3 und 4 und der neutralen Elektrode N in den Resultanten 03 bzw. 04.
Man sieht, dass das System gleiche Spannungen zwischen jeder der Elektroden und der Neutralen ergibt.
Man kann die Linie 01, 02, 03 und 04 als die Richtungen der in den vier Elektroden 1, 2, 3 und 4 fliessenden Ströme betrachten, so dass, wenn auf jeder dieser Linien Abstände aufgetragen werden, die der Anzahl der von ihrem Einfluss unterworfenen Windungen gleich sind, die Anzahl Ampèrewindungen in jeder Abteilung der Wicklurg erhalten werden kann. Argenommen, dass eine Stromeinheit durch jede der Elektroden 1,2, 3 und 4 fliesst, so kann auf der Linie 01 ein Abstand Oy, gleich 7 und auf der Linie 02 ein solcher Of, gleich 1'7, aufgetragen werden. Die Vektordifferenz f g dieser beiden Linien wird die Ampère- windungen der Primärwicklung CO ergeben. Ähnlich findet man die Ampèrewindungen der Primär- wicklung jB 0 gleich A/c.
Der Strom in der Sekundärwicklung V T des dritten Umformers A 0- V T ist die Vektordifferenz zwischen den Vektorsummen der Ströme in den Sekundärwicklungen der beiden anderen Umformer.
Dieser durch die Verbindung zwischen dem Punkt K und dem Punkt T fliessende Strom ist gleich der Vektorsumme der nach den Elektroden 1 und 2 durch die Teile W K und X K der Wicklung W X fliessenden
Ströme, während der von L nach V fliessende Strom der Vektorsumme der nach den Elektroden 3 und 4 durch die Teile YL und ZL der Wicklung YZ fliessenden Ströme gleich ist.
Die Differenz zwischen den Strömen in den Verbindungsleitern L V und K T ist dem in T V fliessenden Netzstrom gleich. In dem Schema nach Fig. 3 stellt die Linie On den Strom in dem Verbindungsstück KT dar, während Op den Strom in dem Verbindungsstück KT darstellt. Die Vektordifferenz zwischen On und Op wird durch die Linie np dargestellt. Man sieht, dass die Linien fg, hk und np alle gleich sind und, da der Klarheit wegen angenommen worden ist, dass die Primärwicklungen alle die gleiche Anzahl Windungen besitzen, so sind die Ströme in den Primärwicklungen alle gleich.
Nimmt man ferner die Vektorsumme aller durch die Elektroden 1, 2,3 und 4 fliessenden Ströme, so erhält man die Linie 0 N, die einen Strom darstellt, der durch die neutrale Elektrode fliessen würde, wenn man annimmt, dass die Länge der Linie Od den normalen Strom in jeder der Elektrode 1, 2,3 und 4 darstellt, und dass der Herd ein guter Leiter ist.
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darstellen und wenn man die Anzahl der unter dem Einfluss jedes Stromes stehenden Wicklungen, die Richtungen und die Grössen der betreffenden Ströme berücksichtigt, findet man, dass, wenn durch die Lichtbögen zwischen den Elektroden 1, 2, 3 und 4 und dem Metall im Ofen gleiche Ströme gehen, auch den drei Primärleiturgen gleiche Ströme entnommen werden, sowie, dass diese Ströme im wesentlichen in Phase mit ihren Spannungen stehen, so dass der auf eine nicht induktive Belastung wirkende Leitungsfaktor hoch ist. Ferner ist, wenn gleiche Ströme durch die Elektroden gehen, ein Ausgleich oder Rückstrom vorhanden, der gleich oder grösser ist, als derjenige in einer der Phasen.
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auf eine nicht induktive Belastung wirkender Leistungsfaktor praktisch genommen der Einheit gleich ist.
Man erkennt somit aus Fig. 3, dass die vorstehend geschilderte Anordnung von Umformungs- wicklungen und Elektroden in Verbindung mit einem elektrischen Ofen nachstehende Vorteile zu erreichen gestattet.
1. Einen Vierphasenstrom mit einem neutralen Rückstrom zu erzeugen, dessen Richturg einen rechten Winkel mit den Richtungen des Stromes zwischen den Phasen im Metallbad bildet.
2. Dass, wenn durch die Primärwicklungen gleiche elektromotorische Kräfte zur Wirkung gelangen, gleiche elektromotorische Kräfte zwischen jeder der vier Sekundärwicklungen und der neutralen Elektrode induziert werden,
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3. Dass, wenn durch die vier Sekundärwicklungen gleiche Ströme nach den Elektroden fliessen und auch ein passender Strom nach dem neutralen Rückleiter geht, den drei Primärwicklungen gleiche Ströme entnommen werden.
4. Dass, wenn infolge mangelhafter Elektrodenregelung oder Herdwiderstandes durch die vier Sekundärwicklungen ungleiche Ströme fliessen, die drei Primärströme bis zu einem zulässigen Grad ausgeglichen bleiben.
5. Dass der Leistungsfaktor des Systems ein hoher ist, da die Phasenverschiebung der elektromotorischen Kräfte und die entsprechenden Ströme in den Primärwicklungen und den Leitungen im Betrieb klein sind.
Ohne den Bereich der Erfindung zu schmälern, können die oben genannten Beziehungen der drei Umformungsverhältnisse und die Stellungen der Zwischenanschlusspunkte etwas geändert werden.
Jede der Elektroden 1, 2, 3 und 4 sowie auch die neutrale Elektrode N kann durch eine Gruppe von zwei oder mehreren in Abständen angeordneten Elektroden ersetzt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Phasentransformator, insbesondere für elektrische Öfen, bestehend aus drei einphasigen oder einem dreiphasigen Transformator, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der Sekundärseite (T V, Y Z, W X) derart bemessen und miteinander verbunden sind, dass zwischen den Endpunkten zweier
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(T V) verbundenen Leiter (e) vier Phasen entstehen und das System auf der Primärseite (AO, BO, 00) sich völlig im Gleichgewicht befindet, wenn die vier sekundären Phasen gleiche Ströme (J2) fÜhren, beim Ungleichwerden der vier Phasen infolge. mangelhafter Elektrodenregulierung jedoch innerhalb zulässiger Grenzen ausgeglichen bleibt.