CH321307A

CH321307A - Kompensierungsanordnung an einem Drehstrom-Lichtbogenofen

Info

Publication number: CH321307A
Authority: CH
Inventors: Ludwig Dr Dreyfus
Original assignee: Asea Ab
Priority date: 1952-12-15
Filing date: 1953-12-11
Publication date: 1957-04-30
Also published as: BE525089A; GB726165A; US2758144A; FR1099455A

Description


      Kompensierungsanordnung    an einem     Drehstrom-Lichtbogenofen       In     elektrisehen        Drehstrom-Lichtbogenöfen     sind     -ewöhnlieh    eine, Mittelelektrode     und,     ,symmetrisch zu dieser     angeord#net,    zwei äussere  Elektroden vorhanden, wobei jede Elektrode  über eine Zuleitung in     Forrn    eines Leiterbün  dels gespeist wird..

   Die Klemmen des Ofen  transformators sind in einer Reihe auf der  einen Seite des Ofens angeordnet, wobei das  Leiterbündel, das die eine Elektrode speist,       län        #gys    eines grossen Teils seiner Länge     zwi-          Schen    den zwei die andern Elektroden spei  senden Leiterbündeln zu liegen kommt.

   Die       unggleiehe    Länge     der    Leiterbündel und vor  allem die gegenseitige     Induktanz:    zwischen  den Leiterbündeln     und    die     Elektrodenanord-          nung    bringen eine     unsymmetrisehe        Stromver-          teilLin-    mit sich, und zwar wird, der Strom       im    mittleren Leiterbündel, im folgenden mit   Mittelphase  bezeichnet, bedeutend grösser       ils    er in den äussern     Leitürbündeln,    den   Aussenphasen , wird,

   mit einem sieh hieraus  ergebenden entsprechenden Unterschied in  der Leistung der drei Phasen. Vergleiche   Handbuch der technischen     Elektroehemie           Bd.    IV, von     Dr.    Walter  Grundlagen     -der        elek-          trisehen    Ofenheizung ,<B>1950,</B> Seite<B>250.</B>  



  Die grösste Ungelegenheit für den Ofen  betrieb infolge dieser     Unsymmetrie    ist,     dass     die Leistung des Lichtbogens der Mittelphase  erheblich grösser wird als die     der        Lichtbögen     der Aussenphasen und     dass    hierdurch die  Ofenausfütterung in der Nähe des mittleren    Lichtbogens überhitzt -wird. Ein Heilmittel  hiergegen hat man in einem     Elektrodenregül#     System gesucht, das für jede     Pha-se,    deren  Impedanz konstant hält.

   Unter der Phasen  impedanz versteht man hierbei das Verhältnis  zwischen Phasenspannung und, Phasenstrom,  wobei die P     hasenspann-a-ng    zwischen dem Ofen  mantel und den Sekundärklemmen des Trans  formators gemessen wird. Man kann dann  für eine gewisse     Sekundärspannung        und    Be  lastung rein empirisch alle drei Relais in  dem Regler für die     Konstanthaltung    von drei  (verschiedenen) Impedanzen     go    einstellen,     dass     gleiche Ströme in allen Elektroden erhalten  werden.

   Dies bedeutet aber,     dass    die     Mittel-          pliase    auf grössere Phasenimpedanz     eingem     stellt ist,<B>d.</B> h. grössere     Lichtbogenlänge    als  die Aussenphasen, und- es hat sich auch<B>ge-</B>  zeigt,     dass    bei gleichem Strom, aber längerem.

    Lichtbogen in der     Mittel#phase    die zunächst  liegende Ausfütterung einem raschen     Ver-          Schleiss        ausges#etzt    ist.     Verinutlich    trägt zu  diesem ungünstigen Ergebnis der Umstand  bei,     dass    ein vom Ofenmantel ausgehender und  in grossem Abstand von den     Elektrodenzu-          leitungen    verlegter Nulleiter     nachgewiesener-          massen    in den     Impedanzrelais    nicht     die        Pha-          senspann-ungen    herbeiführt,

   die man erwartet.  Man würde nämlich     auf-    diese Weise un  symmetrische Phasenspannungen erhalten,  auch wenn der Starkstromkreis ganz symme  trisch wäre.      Die Erfindung verfolgt den Zweck, Mit  tel zur     V--rriiigeimn"(,y    der     Belastungsunsymme-          trie        der        drei        Phasen        anzug        eb.        en.     



       Zür    Erläuterung eines Ausführungsbei  spiels des Erfindungsgegenstandes wird     auf     die     Zeiehnu#ng    verwiesen, in der die Figuren  einen Teil der Ofenanlage schematisch zeigen.  Die Strom- und     Spannungsbezeiehnung    geht       aus    den     Fig.1    und 2 hervor, während eine  beispielsweise erfindungsgemässe, Ausführungs  form schematisch in     Fig.    2 angegeben ist.

   Mit  <B>1,</B> 2 und.<B>3</B> .sind die Elektroden, mit 4,<B>5</B> und  <B>6</B> ihre Zuleitungen und mit<B>7</B> die Sekundär  seite des     Ofentransformators    bezeichnet,     des-          sen        Sehaltuing    nur als ein Beispiel der     mö-          liehen    Schaltungen betrachtet werden soll.  <B>8</B> bezeichnet einen Teildes Ofenbodens und<B>9</B>  den Ofenmantel.

   In die Zuleitung zur Mittel  elektrode ist, ein     Reaktanzelement,   <B>10</B>     (Fig.    2!)  eingeschaltet, das in dem gezeigten Beispiel       aus    einem um     die    Zuleitung<B>5</B> angeordneten,  lamellierten Eisenkern mit Luftspalt besteht.  Dieser Kern ist mit einer     Leitersehleife   <B>11</B>  versehen,     #die    in     die    Verbindungsleitung 12  zwischen dem Ofenmantel<B>9</B> und dein<B>Null-</B>  punkt<B>13</B> der Spannungsspulen der Relais in  dem in der     Fig.    2 schematisch dargestellten  Regler 14 für die     Eleldrodenreggelung    reihen  geschaltet ist.  



  Es hat sich nun gezeigt,     dass    durch eine  richtig gewählte Erhöhung der     Selbstreaktanz     der Mittelphase     die        Unsymmetrie    der Phasen  kompensiert werden kann, trotzdem sie zum  grössten Teil von den gegenseitigen     Ind-Lik-          t        anzen    aller drei Phasen. herrührt.

   Eine     Be-          reehnung    hat ergeben,     dass    es     zür    Erzielung  der Symmetrie genügt., eine     Real-,ta-nz    von der  Grössenordnung  
EMI0002.0044     
    in     die    Mittelphase einzuschalten. Hierbei be  deuten x, und     x##    die     Reaktanzen    in den ein  phasigen Stromkreisen, die von der Mittelelek  trode     -Lincl   <B>je</B> einer Aussenelektrode     zuzüglieh          ih-rer    Zuleitungen gebildet. werden, und<B>y</B>  die mittlere gegenseitige     Induli#ta-nz    zwischen  den genannten Stromkreisen.

      Man erhält also bei einphasiger Speisung  der unten     kurzresehlossenen    Elektroden<B>1</B> lind  von der     Transforinatorspannung        E",    den  <B>C -</B>  Strom
EMI0002.0055  
   und bei einphasiger     Speisting          derunten        kurzgesehlossenen.    Elektroden<B>3</B> und  2 von der     Transformatorspannung        E-e3    den  Strom
EMI0002.0061  
   Der Unterschied zwischen  den     Reaktanzen    x,     -und        x.#    ist     gewöhnlieh    so  klein,

       dass    sie durch ihren Mittelwert  
EMI0002.0067     
    ersetzt werden können.  



  Ferner ist mit<B>y</B> die gegenseitige,     Induk-          Zn   <B><I>C</I> C</B>  tanz zwischen den beiden oben beschriebenen  einphasigen Stromkreisen     bezeiehnet.    Wenn       inan        a13o        Jureli        die    Elektroden<B>1</B> und 2 den  Einphasenstrom     #sehielzt,    wird in dem  durch die Elektroden
EMI0002.0076  
   2 und<B>3</B> und ihre Zu  leitungen gebildeten offenen Stromkreis die  Spannung     Jly    induziert.

   Schickt. man da  gegen     durehdie    Elektroden 2 und<B>3</B> den     Ein-          phasenet,rom   
EMI0002.0081  
   so entsteht in     dem     offenen Stromkreis 4<B>+ 5</B> die Induktionsspan  nung     J3y.     



       Die    gleichen     Bezeiehnuingen    sollen nun  benutzt werden, um auch bei     dreiphasiger     Speisung die Strom-     und        Spannungs#,erteilung          zui    beschreiben. Hierbei wird auch     auf    die       Ohmsehen    Widerstände     rl,   <U>r.,</U> r3     Rüeksieht     genommen, die als Hauptanteil die     Wider-          stän,de,    der     Liehtbögen    enthalten.

   Ausserdem  gilt für     die        Liellt-bogenströme    die     Sternschal-          tungsbeding-Ling:          '12        (Ji   <B>+</B>     J3)    (2)  Demzufolge kann das Strombild gemäss       Fig.   <B>1</B> als Überlagerung des Einphasenstromes       JI    in der Aussenphase<B>1</B> Lind in der Mittel  phase 2 sowie des Einphasenstromes,<B>J3</B> in der       .z#,ussen-pha#.se   <B>3</B> und der     Mittel-phase    2     aufge-          fasst    werden.

   Hieraus folgt für die Klemmen  spannungen     E",        und        Ef.2p,:              E01        JI(1'1    +     1*2-jxl)   <B>+</B>     J3(I.--jy)        =        JI        [JI-j(xl--y)]        -,12        [r.-jyl   <B>(3)</B>  <B>E23</B>     J.-(7*.-   <B><I>+</I></B>     r#-jx.,)   <B><I>+</I></B>     JI(r.-jy)        =   <B><I>J3</I></B>     [i".,--j(x3-y)

  ]        -J.2        [r2-jy]    (4)    Die Gleichungen<B>(3)</B> Lind (4) beziehen sich  auf     da->        unkompensierte,        unsymmetrisehe        Sy-          stein.    Dieses wird nun dadurch kompensiert,       class        in    die Mittelphase eine     Drosselreaktanz    x"         E.k   <B><I>J2</I></B><I> (x-</I><B>2y)</B>     Jxd   <B>(5)</B>  hinzufügt  Dadurch werden die oben angegebenen Gleichungen<B>(3)</B> und (4) übergeführt. in:

    <B>C</B>     C,     <B><I><U>E-1</U></I></B>     =        J,        [,r,-j(x1-y)        j   <B><I><U>-J.</U></I></B>     [r.-jyl        +        E'k    =J1     11-1-i        (X.1-Y)   <B><I>1</I></B>     -j-        lr'--j        (x--1j)   <B><I>EI -E2</I></B>  <B><I>(6)</I></B>  <B><I>E23</I></B>     ='131)*3-j(X--.-Y)l--J2[r.-jyl        +E-k==        J.3[r3-j(X3-Y)1        --12        =I#,

  s--E?       wobei<B><I>EI,<U>E.</U></I></B> und<B>E3</B> bei sekundärer     Stern-          Schaltung    die Phasenspannungen     des        Traum-          forniators    und bei sekundärer     Dreieelijsehal-          tung    die (ideellen)     Nullprunktspannungen,     sind.  



  Bei symmetrischer Belastung ist       ,r,   <B><I>=</I></B> r2     =    r3<I>=r</I><B>(7)</B>  Ausserdem ist praktisch genommen       XI        =        x3   <B>= X</B>  und als Abkürzung wird eingeführt:

         ZD          r-j(X-y)        =   <B>Z (9)</B>  Die Gleichungen<B>(6)</B> werden dann     befrie-          digd    durch  <B><I>EI =</I></B>     Jlz,   <B><I>E2</I> =</B>     J2Z,        E3        =        JSZ,   <B>(10)</B>  wobei mit, Rücksicht auf (2)  <B>EI</B>     _l-   <B>E2<I>+ E3 =</I></B>     (J,   <B><I>+</I></B>     J.   <B><I>+</I></B>     J3)z   <B><I>=</I> 0.

   (11)</B>  Bilden also die     Transformatorsekundär-          .3,   <B>E32</B> ein symmetrisches       spannungen   <B>E21,<I>EI.</I></B>  



  Spannungssystem, so gilt nach<B>(11)</B>     dasgleiehe     für die Phasenspannungen und nach     (10#)     die Phasenströme.  



  Die     Reahtanzerhöhung        X-d    der Mittelphase  kann auf verschiedene Weise     zustandegebraebt     werden. Handelt es sieh darum, die     Unsymme-          trie    bei älteren Anlagen, zu kompensieren,  so dürfte es am einfachsten sein, nach     Fig.    2       auf    der     Niederspannungsseite    das Leiterbün  del der Mittelphase mit einem     lamellierten       eingesetzt, wird,

   die zu den übrigen Spannun  gen der Mittelphase     die        Kompensationsspan-          M          nung       Joch<B>10</B> mit geeignetem     LuMspalt,    zu,<B>um-</B>  geben.

       Ist,die    Niederspannungsseite der     Trans-          formatorenphasen        sterngesehaltet,    so kann man  die     Reaktanzerhöhung    auch     au±    der Primär  seite vornehmen, gegebenenfalls     soga.r    unter  Verwendung der hier vorhandenen regelbaren       Reaktanzen,    indem man     Jie-Reaktanzen    der  Aussenphasen so verkleinert,     dass        die    ge  wünschte     D"ferenZ        X2d    entsteht.

   Schliesslich  kann man auch     auf    der     Primärseite    negative       (kapazitive)        Reaktanzen    (über Transforma  toren eingeschaltete Reihenkondensatoren) in  die Aussenphasen einführen, um hierdurch  ihre resultierenden     Reaktanzen,    verglichen mit  der der     Mittelphase,    zu verringern.  



  Um bei der Regelung der Lichtbögen auf  konstante Leistung dieselbe Leistung in allen  ,drei Phasen zu erreichen,     so1,1    der Nullpunkt,  an den die     >Spannungsspii#len    des     Leistungs-          reglens    angeschlossen sind, möglichst mit dem       Null-punkt    der     Transformatorsipannungen    zu  sammenfallen.

       Gewöhn-lieh    werden     di#e        Re-          iaisspannungsspulendes        Regilers    an den Ofen  mantel, angeschlossen, und da,     siell    die     Regler-          einrichtung        gewöhnlieh    in grossem Abstand  vom Ofen befindet, bekommen die Spulen  unsymmetrische Phasenspannungen.     DieseTjn-          syminetrie.    wird auch nicht. durch die     Kom-          pensierung    beseitigt, die nach dem Vorstehen  den vorgenommen wird, um     die    Leistung in  den.

   Zuleitungen zu den Elektroden auszuglei  chen. Diese     Unsymmetrie    der Spannungen der           Reglerrelais    kann dadurch vollständig besei  tigt werden,     dass,    in die Verbindungsleitung  zwischen     dem    Ofenmantel und! den Span  nungsspulen der Relais eine     Kompensations-          spannung    eingeführt wird, die, vom halben  
EMI0004.0006     
    Uni dies einzusehen, betrachten wir in       Fig.2    den Nulleiter als Rückleiter     fÜr    die  Ströme     JI,        J_,    und<B>J3</B> in den     Elektrodenzulei-          tungen,

      was zulässig ist, da ja     J,        +J2   <B><I>+J3 =</I> 0.</B>  Demgemäss fassen wir das     Drehstronisystein            1112   <B>= y21</B> -zwischen Stromkreis<B>1-0</B> und Stromkreis     9--0          y23   <B>= y32</B> zwischen Stromkreis 2-0 und Stromkreis<B>3--0</B>  <I>w31</I><B>= y13</B> zwischen Stromkreis<B>3-0</B> und Stromkreis<B>1-0</B>  Man     misst    dann für ein     unkompensiertes    System folgende     Spannungen    zwischen dem  Nulleiter und den     Transformatorklemmen:

            Eol        J,        [rl-jxlo]        -jJ#-y.21-jJ3y3,        J,        [rl-j(xlo-y?,1)   <B><I>]</I></B>     -jJ.(y2,-y3,)        (13a)          EO.2        J2[r2-jx?        ,0]        -jJ,y,2-jI._y32        J-        [i-2--j(x-o-y3,)   <B>]</B>     +     
EMI0004.0038     
         E'03   <B><I>=</I></B>     J3[r3-iX301-,iJ2Y2.'-jJ1Y13   <B><I>=</I></B>     J3    (13e)

      In erster Annäherung kann der Unter  schied zwischen<B>y12</B> -Lind<B>y23</B>     vernaehlässigt     werden, ebenso der Unterschied zwischen     xo,          x20    und     x30.    Ist ausserdem die Länge der  Zuleitungen     zui    den Elektroden gross im Ver  hältnis     züi    ihrem gegenseitigen Abstand, so  ist mit guter Annäherung  
EMI0004.0048     
    In dem     unkompensierten    System werden  also sehr     linsymmetrische        Nullpunktspannun-          gen        ge        messen,        nämlich:

       
EMI0004.0056     
    Wert der in der Zuleitung     zur.Hittelelektrode     eingesetzten     Reaktanz    hergeleitet wird. Mit  ,den bei den vorstehenden Berechnungen ange  wendeten Bezeichnungen ist. diese     Kompen-          sations,spannung       als drei einphasige Stromkreise     auf   <B>1-0,</B> 2-0,  <B>3-0,</B> deren     Selbstreaktanzen        x,o,        xo()        und        x30     sind und.

   deren gegenseitige     Reaktanzen    wir  bezeichnen mit    Uni das     Starkstromsystein    zu kompensie  ren, wird nach dem im     vorhergehenäen        Gesa        ;-          ten    in die Zuleitung 2 die     Kompensations-          spannting        jJ2x#,1    eingeführt, was bedeutet,       dass    die rechte Seite der Gleichung<B>(15b)</B> uni  den Ausdruck     -jJ2x,#,1    erweitert wird;

   wer  den aber keine andern Massnahmen getroffen,  so erhält man im     Schwachstronisystein    für die       Impedanzrelais    nach wie vor eine     Nullpunkts-          versehiebung     
EMI0004.0082     
    Diese     muss    dann noch durch eine gleich       "rosse,    aber     entgegengeriehteteKompensations-          spannung        eok    aufgehoben werden, womit die  Behauptung (12) bewiesen ist..  



  Wenn das     Reaktanzelement.    von einem um  die Zuleitung<B>5</B> der Mittelelektrode<B>2</B> ange-      ordneten     Eisenhern   <B>10</B> gebildet wird', wird  dieser mit einer     Leitersehleife   <B>11</B> versehen,  die das halbe Reaktorfeld     umsehliesst    und in  Reihe in die. Leitung     zwisehen    dem     Ofen-          niantel    und dem Nullpunkt der Spannungs  spulen, der Relais liegt.

   Falls das     Reaktanz-          element,    beispielsweise aus einer Drosselspule  besteht, kann die     Kompensationsspannung          durc-Ii        Spannungsteilung    entnommen werden.

Claims

PATENTANSPRUCH Kompensierungsanordnung an einem Dreh- strom-Liehtbogenofen mit- einer Mittelelektrode und zwei Aussenelektroden, dieje an ihre zu- gehörig e Phase über eine Zuleitung LI ange- M sehlossen sind, gekennzeichnet durch ein Re- aktanzelernent,

das die Reaktanz der Mittel- pliase im Verhältnis zu der der Aussenphasen -um einen Betrag x#.,1 erhöht, der, bezogen auf die Niederspannangsseite, den Wert EMI0005.0033 hat, wobei x, und x,#, die Reaktanzen des ein phasigen Stromkreises sind, der vonder Mit- en telelektrode und einer Aussenelektrode ein- sehliesslieh Zuleitungen gebildet, wird,

Lindy (lie initt-lere gegenseitige Indaktanz zwischen C den genannten einphasIgen Stromkreisen be deutet. TINTERANSPR-CTCHE 1. Kompensierungsanordnung nach Patent- anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktanzelement, in der Zuleitung zur Mittel elektrode eingesetzt. ist.

2. Kompeneierungsanordn-ang nach Unter- ansprueh 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktanzelement als lamellierter, die Zulei tung umgebender Eisenkern mit Luftspalt aus-ebildet isst. 3. Kompensierungsanordnung na.,eh Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet" dass in der Verbindungsleitung zwischen deni Ofennull- punkt und dem Nullpunkt,

der Relaisspan- nungsspulen in dem für die Elektrodenrege- lung vorhandenen Regler eine Zusatzreaktanz eingeführt ist, die dem halben Wert, der in der Mittelphase d-es Ofens erzielten Reaktanz gleich ist,. 4. Kompensierungsanordnung nach Unter- ,au,spriieh 3, dadurch gekennzeiehnet, dass der die Zuleitung der Mittelelektrode umgebende Eisenkern mit.

einer Stromschleife versehen ist, die die Hälfte des Feldes des Eisenkerns umsehliesst und in Reihe in die Verbind:ungs- ,eitLing zwischen dem Ofennullpunkt und dem Nullpunkt derRelaisspannungisspulen im"EleI"- trod.enregler eingeschaltet ist.