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Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation der Blindleistung eines
induktiven Stromverbrauchers, vorzugsweise eines Induktionsofens Die Erfindung bezieht
sich auf die Kompensation der Blindleistung bei induktiven Wechselstromverbrauchern
mit stark veränderlichem induktivem Widerstand, insbesondere Induktionsöfen, bei
denen es also erforderlich ist, die üblicherweise aus Kondensatoren bestehende kapazitive
Blindlast laufend der veränderlichen induktiven Blindlast anzupassen.
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Die einfachste bekannte Art dieser Anpassung besteht in der Ab- und
Zuschaltung einzelner Kondensatoreinheiten. Soll damit eine genügend feinstufige
Anpassung der kapazitiven Blindleistung erreicht werden, so ist eine sehr große
Anzahl von Kondensatoreinheiten mit entsprechenden Schaltvorrichtungen erforderlich.
Diese Vorrichtungen werden daher recht umfangreich und kostspielig, zumal die Ein-und
Ausschaltung von Kondensatoren bekanntlich besondere Vorkehrungen erforderlich macht,
um allzu starke Stromstöße beim Einschalten und Überspannungen beim Ausschalten
zu vermeiden.
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Es sind weiter Anordnungen bekannt, bei denen eine Angleichung der
beiden Blindleistungen, d. h. eine Abstimmung des aus ihnen gebildeten Schwingungskreises
auf Stromresonanz ohne die Ab- und Zuschaltung von Kondensatoreinheiten dadurch
erreicht wird, daß die induktive Blindleistung einer konstanten kapazitiven Blindleistung
eines Kondensators mittels einer steuerbaren Induktivität angepaßt wird, die mit
dem induktiven Stromverbraucher parallel oder in Reihe geschaltet ist. Dabei kann
eine stetige Veränderung der steuerbaren Induktivität beispielsweise mit Hilfe einer
Drosselspule erzielt werden, deren Eisenkern durch einen steuerbaren Gleichstrom
vormagnetisiert wird.
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Bei diesem Verfahren ist der Bereich der Anpassungsmöglichkeit durch
die Größe der steuerbaren Drosselspule bedingt. Bei großen Änderungen der induktiven
Blindleistung des Stromverbrauchers, wie sie z. B. bei Induktionsöfen vorkommen,
werden also sehr große Drosselspulen benötigt, bei denen nicht nur der zu ihrer
Beschaffung erforderliche Aufwand, sondern auch die betriebsmäßig in ihnen entstehenden
Leistungsverluste nachteilig ins Gewicht fallen.
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Nach der Erfindung werden bei einem Verfahren zur Kompensation der
Blindleistung eines induktiven Stromverbrauchers, vorzugsweise eines Induktionsofens,
mittels steuerbarer Drosselspule sowie dem Verbraucher parallel schaltbarer Kondensatoren
die erwähnten Nachteile dadurch vermieden, daß die steuerbare Drosselspule jeweils
einem zu- bzw. abzuschaltenden Kondensator parallel geschaltet und auf Stromresonanz
mit diesem Kondensator eingestellt wird und daß nach dieser Einstellung die Zu-
bzw. Abschaltung des aus Drosselspule und Kondensator gebildeten Schwingkreises
erfolgt. Dadurch, daß die Drosselspule mit dem jeweils parallel geschalteten Kondensator
auf Stromresonanz eingestellt wird, haben die zum Zu- und Abschalten des aus Drosselspule
und Kondensator gebildeten Schwingungskreises dienenden Schaltmittel jeweils einen
praktisch verschiebungsfreien Strom zu schalten. Dadurch ergeben sich günstige Schaltbedingungen
und ein die Schaltmittel schonendes Schalten. Besondere Vorkehrungen zu diesem Zweck,
die in bekannter Weise beispielsweise in Widerständen bestehen können, die im Augenblick
des Zuschaltens eines Kondensators dem betreffenden Leistungsschalter und im Augenblick
des Abschaltens dem Kondensator parallel geschaltet werden, sind dadurch entbehrlich.
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Nach erfolgter Zuschaltung eines aus Drosselspule und Kondensatoreinheit
bestehenden Schwingkreises zu dem Verbraucher kann gemäß weiterer Erfindungsausbildung
eine Feineinstellung der erforderlichen Blindleistung durch Verstellung der steuerbaren
Drosselspule erzielt werden. Die Drosselspule braucht dabei nur für eine Blindleistung
bemessen zu sein, die der kapazitiven Blindleistung einer schaltbaren Kondensatoreinh,eit
entspricht. Auf diese Weise kann mit verhältnismäßig wenigen schaltbaren Kondensatoreinheiten
und einfachen Schaltvorrichtungen, z. B. Schützen, nebst einer steuerbaren Drosselspule
mäßiger Größe eine stetige Anpassung der kapazitiven Blindleistung an die induktive
Blindleistung des Verbrauchers in einem sehr großen Bereich erreicht werden.
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Die für die Anpassung erforderlichen Schaltvorgänge und die Einstellung
der steuerbaren Drosselspule können jeweils von Hand eingeleitet werden.
Sie
können aber auch durch eine Regelvorrichtung selbsttätig durchgeführt werden.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung sind an Hand eines Ausführungsbeispieles
im folgenden beschrieben.
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In der Fig. 1 bedeutet 1 einen induktiven Stromverbraucher, beispielsweise
einen Induktionsofen. Zur Kompensierung seiner während des Betriebes schwankenden
induktiven Leistungsaufnahme dient ein fest angeschlossener Kondensator 2 und weitere,
je nach Bedarf ab- und zuschaltbare Kondensatoren 3 a bis 3 e.
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Mit 4 ist eine Drosselspule mit durch Gleichstromvormagnetisierung
einstellbarer Induktivität bezeichnet, deren Kleinstwert einer induktiven Blindleistungsaufnahme
entspricht, die mindestens gleich der kapazitiven Blindleistungsaufnahme einer bzw.
der größten schaltbaren Kondensatoreinheit ist. Schaltmittel 5 a bis 5 e dienen
zur wahlweisen Parallelschaltung der einzelnen Kondensatoreinheiten 3 a. bis 3 e
mit dieser Drosselspule. Weitere Schaltmittel 6 ca bis 6 e dienen zur Parallelschaltung
der jeweils aus einer Kondensatoreinheit 3 a bis 3 e und der Drosselspule 4 gebildeten
Schwingkreise mit dem Verbraucher 1. Mit 12 ist das Hauptschütz zum Abschalten der
in den Figuren nicht dargestellten Stromquelle, beispielsweise eines Mittelfrequenzgenerators,
bezeichnet.
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Das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren kann durch Bedienung der
Schalter 6 a bis 6 e und 5 a bis 5 e sowie der Verstelleinrichtung für die Gleichstromvormagnetisierung
der Drosselspule 4 von Hand durchgeführt werden. Zur Anzeige einer vorhandenen induktiven
bzw. kapazitiven Verstimmung des Ofenkreises dient dabei ein Meßgerät 8, beispielsweise
ein Phasenwinkelmeßgerät oder ein .Blindleistungsmeßgerät.
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Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel erfolgt das Zu- und Abschalten
der Kondensatoren im Sinne einer Regelung selbsttätig durch ein Programmschaltwerk
7 (s, Fig. 2) in Abhängigkeit von der jeweils vorhandenen induktiven bzw. kapazitiv
en Belastung, die durch die Meßeinrichtung 8 gemessen wird. Mit 10 (Fig. 1) ist
ein Potentiometer zur Steuerung der Gleichstromvormagnetisierung der Drosselspule
4 bezeichnet, dessen Antriebsmotor das Bezugszeichen 9 (Fig. 2) trägt. Die Steuerspannung
zur Betätigung der Schalteinrichtungen ist bei 13 und 14 angeschlossen.
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Weitere Einzelheiten der Schalteinrichtungen sowie die bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Kompensationsverfahrens ablaufenden Schaltvorgänge werden
im folgenden an Hand der im unteren Teil der Fig. 2 dargestellten Abwicklung der
Kontakte des Programmschaltwerkes erläutert. Dabei wird von einer Mittelstellung
ausgegangen, in welcher die Schütze 6 e bis 6 c geschlossen und damit die Kondensatoren
3 a bis 3 c eingeschaltet sind. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Drosselspule
4 in dieser Stellung über das Schütz 5 c dem Kondensator 3 c parallel geschaltet.
Die entsprechenden Schaltstellungen der Schütze können übersichtlich in dem abgewickelten
Schaltprogramm in Fig. 2 verfolgt werden, wobei die horizontalen Linien I bis XI
den einzelnen Schaltstellungen des Programmschaltwerkes 7 entsprechen. Der in den
Fig. 1 und 2 festgehaltenen mittleren Schaltstellung entspricht die horizontale
Linie VI, die erkennen läßt, daß gerade die Kontakte h., k, in und
1 des Programmschaltwerkes und damit die Schütze 6 a bis 6 c und 5 c geschlossen
sind. Wird nun durch Betätigung des Hauptschützes 12 der Ofenkreis und durch den
Hilfskontakt 12' die Regeleinrichtung eingeschaltet und ist dieser induktiv verstimmt,
so schließt die Meßeinrichtung den zugehörigen Kontakt 8'. Da der Kontakt a des
Programmschaltwerkes und der Hilfskontakt 15 des Potentiometers 10 geschlossen sind,
so daß sie den Stromweg zu dem Antriebsmotor 9 des Potentiometers freigeben, läuft
dieser an, und zwar in dein »weniger« bezeichneten Drehsinn, wodurch das Potentiorneter
im Sinne einer Spannungsverringerung verstellt wird. Damit wird die Drosselspule
4 weniger stark vormagnetisiert und ihre Induktivität vergrößert, was eine Verringerung
ihrer induktiven Blindleistungsaufnahme zur Folge hat.
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Reicht diese zur Beseitigung der vorhandenen induktiven Verstimmung,
d. h. zur Erzielung der gewünschten Kompensierung, beispielsweise auf cos rf, -
1, aus, so wird durch Offnen des Kontaktes 8' die Potentiometerverstellung beendet,
d. h. die Drosselspule verbleibt in dein zu diesem Zeitpunkt eingestellten Vormagnetisierungszustand.
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Liegt jedoch eine größere induktive Verstimmung vor, so wird das Potentiometer
10 bis zu seiner Endstellung verstellt (rechte Endlage in Fig. 1), so daß die Drosselspule
bei kleinstmöglicher Gleichstromerregung ihre maximale Induktivität erreicht und
der mit der Drosselspule zunächst noch parallel geschaltete Kondensator 3 c voll
wirksam wird.
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Durch Erreichen der Potentioineterendstellung wird dessen Schalter
16 betätigt. Dadurch öffnet sich gleichzeitig der Hilfskontakt 15, so daß der Motor
9 stillgesetzt wird. Durch die Betätigung des Endschalters 16 ist auch der Kontakt
19 und damit der Steuerstromkreis zum Programmschaltwerk 7 über dessen Zuleitung
18 geschlossen worden, so daß der Mechanismus des Programmschaltwerkes, z. B. eine
elektromagnetisch angetriebene Schaltwalze, in Umdrehung versetzt wird, und zwar
mit einem Drehsinn der Schaltwalze, der dem Übergang von der Stellung VI nach der
Stellung VII entspricht. Hierbei öffnet der Kontakt 1, so daß das Schütz 5 c abschaltet,
während der Kontakt ia den Stromkreis zu dem Schütz 5 d schließt, das seinerseits
einschaltet. Mit diesem Schaltvorgang ist der nächste Kondensator 3 d zum Einschalten
vorbereitet.
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Ist noch immer eine induktive Verstimmung vorhanden, so spielen sich
folgende zur Beischaltung des Kondensators 3d führende Vorgänge ab: Über den in
Stellung VII der Schaltwalze geschlossenen Kontakt c ist der Stromkreis zu dem Motor
9 geschlossen, der nun mit entgegengesetztem Drehsinn anzulaufen beginnt, so daß
das Potentiometer in Richtung einer Gleichspannungserhöhung verstellt und die Gleichstromvormagnetisierung
der Drosselspule 4 verstärkt bzw. ihre Induktivität verringert wird. Bei Erreichung
der Endlage (linke Endstellung in Fig. 1) wird der Endschalter 17 des Potentiometers
betätigt. während der Endschalter 16 in die Ruhestellung zurückgekehrt ist, wodurch
auch Kontakt 19 geöffnet und der Stromkreis über die Zuleitung 18 zum Schaltwerk
7 unterbrochen wurde. Durch Betätigung des Schalters 17 wird der Kontakt 22 geöffnet
und der Motor 9 stillgesetzt. Gleichzeitig ist auch der Kontakt 21 des Endschalters
17 geschlossen worden, wodurch über diesen Kontakt und den ebenfalls geschlossenen
Kontakt e ein Steuerstromkreis zu dem Programmschaltwerk 7 über die Zuleitung 18
geschlossen wird, so daß die Schaltwalze um einen
Schritt weiterspringt
und dabei von Stellung VII nach Stellung VIII gelangt. Über den in Stellung VIII
des Schaltwerkes geschlossenen Kontakt 0 wird das Schütz 6 d betätigt, das den Kondensator
3 d zusammen mit der Drosselspule 4 dem Ofenkreis parallel schaltet. Damit wird
aber der Kondensator 3 d noch nicht wirksam, da sich die Parallelkombination aus
Drosselspule und Kondensator 3 d in Resonanz befindet, d. h. die Drosselspule auf
ihre maximale induktive Blindleistungsaufnahme eingestellt ist und somit die kapazitive
Blindleistungsaufnahme des Kondensators 3 d kompensiert.
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In der Stellung VIII der Schaltwalze (s. die Abwicklung in Fig. 2)
ist der Kontakt a wieder geschlossen, und da sich der Schalter 16 in Ruhelage befindet,
ist auch der Hilfskontakt 15 geschlossen, so daß der Motor 9 wieder in dem Sinne
anlaufen kann, daß er die Potentiometerspannung und damit die Vormagnetisierung
der Drosselspule bzw. ihre Blindleistungsaufnahme verringert, wodurch der Kondensator
3 d in steigendem Maße im Ofenkreis wirken kann. Wird dabei die gewünschte Kompensierung
erreicht, so wird die Potentiometerverstellung durch Öffnen des Kontaktes 8' des
Meßinstrumentes 8 beendet. Ist die induktive Verstimmung immer noch zu groß, so
wird das Potentiometer bis zu seiner rechten Endlage (s. Fig. 1) verstellt, worauf
das Spiel zur Beischaltung eines weiteren Kondensators 3e, wie oben beschrieben,
wieder beginnt.
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`Fenn sich während des Ofenbetriebes die induktive Last verringert,
so daß die Meßeinrichtung den Kontakt 8" schließt, so ergibt sich ein rückläufiger
Ablauf der Schaltvorgänge. Handelt es sich um ein nur geringes Maß einer solchen
Änderung des Blindleistungsbedarfes, so kann die Kompensierung mit der Drosselspule
-4 allein durchgeführt werden. Tritt beispielsweise bei der Stellung VIII der Schaltwalze,
in welcher die. Kondensatoren 3a bis 3d eingeschaltet und die Drosselspule 4 dem
Kondensator 3 d mittels des Schützes 5 d parallel geschaltet ist, eine Verringerung
der induktiven Last des Ofenkreises ein, so ist der Stromkreis des Motors 9 über
die Kontakte 8", d und 22 geschlossen, so daß der Motor anläuft und das Potentiometer
in Richtung »mehr Vormagnetisierung« verstellt. Die hierdurch vergrößerte Blindleistungsaufnahme
der Drosselspule 4 verringert die vorhandene kapazitive Verstimmung.
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Ist dabei das Potentiometer in seiner linken Endstellung (s. Fig.
1) angelangt, ohne das die gewünschte Kompensierung erreicht wurde, so wird wiederum
der Endschalter 17 betätigt, der den Kontakt 22 öffnet und damit den Motor 9 zunächst
stillsetzt. Durch das gleichzeitige Schließen des Kontaktes 23 erhält der Steuerstromkreis
des Programmschaltwerkes 7 über den Kontakt 8" und die Zuleitung 20 Strom, worauf
die Schaltwalze auf die Stellung VII zurückspringt. Dabei öffnet der Kontakt 0 des
Schaltwerkes, wodurch das Schütz 6d stromlos wird und den Kondensator 3 d abschaltet.
Zufolge des erfindungsgemäßen Schaltverfahrens erfolgt die Abschaltung des Kondensators
3 d unter geringstem Schaltfeuer und ohne daß nennenswerte Überspannungen entstehen,
da die Impedanz der in Resonanz befindlichen Parallelkombination aus Kondensator
3 d und Drosselspule 4 ein Maximum und somit der durch die Kombination fließende
Strom ein Minimum ist.
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Gemäß der Stellung VII des Schaltwerkes in Fig. 2 ist in dieser Stellung
der Kontakt b geschlossen, so daß über die Kontakte 8", b und 15 der Motor 9 unter
Strom gesetzt wird und das Potentiometer 10 in Richtung »kleinste Vormagnetisierung«
verstellt. Bei Erreichen der rechten Endstellung des Potentiometers wird dessen
Endschalter 16 betätigt, der durch Öffnen des Hilfskontaktes 15 den Motor wieder
stillsetzt. Da der Kontakt f in diesem Zeitpunkt geschlossen ist, wird durch Schließen
des Kontaktes 24 der entsprechende, an die Zuleitung 20 angeschlossene Steuerstromkreis
des Programmschaltwerkes 7 unter Strom gesetzt, so daß dessen Schaltwalze in die
der Stellung VI entsprechende Lage zurückgedreht wird. Damit wird zunächst durch
Öffnen des Schaltwalzenkontaktes ia das Schütz 5 d stromlos und schaltet die Drosselspule
4 von dem Kondensator 3 d ab. Anschließend wird die Drosselspule durch Schließen
des Kontaktes 1 mittels des Schützes 5 c dem eingeschalteten Kondensator 3 c parallel
geschaltet, und zwar ebenfalls bei geringstmöglichem Schaltfeuer, da die Drosselspule
in diesem Zeitpunkt, entsprechend der rechten Endlage des Potentiometers in Fig.
1, auf ihre kleinste Blindleistungsaufnahme eingestellt ist. In dieser Stellung
ist der Kondensator 3c noch voll wirksam. Bei weiterhin bestehender kapazitiver
Verstimmung erfolgt die weitere Feinregelung wiederum durch entsprechende Änderung
der Vormagnetisierung der Drosselspule in der beschriebenen Weise, bis die gewünschte
Kompensation erreicht ist und durch Öffnen des Kontaktes 8" die Regeleinrichtung
zur Ruhe kommt.
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Soll die ganze Ofenanlage stillgesetzt werden, so wird zunächst die
Erregung des Mittelfrequenzgenerators weggenommen und sodann die Hauptstromleitung
mit Hilfe des Schaltschützes 12 abgeschaltet. Es können entsprechende Schaltmittel
vorgesehen sein, die eine Wiedereinschaltung des Schützes 12 nur ermöglichen, wenn
vorher das Schrittscha.ltwerk 7 in seine Grundstellung (in dem Ausführungsbeispiel
die Stellung VI) zurückgeschaltet ist. Die zur Einschaltung des Schützes 12 dienende
Leitung kann zu diesem Zweck über einen entsprechenden, nicht dargestellten, nur
in dieser Stellung geschlossenen Kontakt der Schaltwalze geführt sein. Zur Rückführung
des Schrittschaltwerkes können beispielsweise ebenfalls nicht dargestellte Druckknöpfe
vorgesehen sein, durch welche das Schaltwerk von Hand betätigt werden kann.
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Man kann natürlich die Rückführung des Schrittschaltwerkes in die
Grundstellung auch automatisch vornehmen, beispielsweise in der Weise, daß durch
eine in der Fig. 1 nur durch den Hilfskontakt 11 des Schützes 12 angedeutete Einrichtung
ein Impulsgeber eingeschaltet wird, der über entsprechende Kontakte der Schaltwalze
die Rückführung des Schaltwerkes bewirkt.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und in den Figuren dargestellte
Ausführungsbeispiel beschränkt. Es sind vor allem Abweichungen baulicher Art, d.
h. hinsichtlich der Anordnung und Ausbildung der Schaltelemente, möglich; beispielsweise
können statt eines Schaltwerkes mit einer Schaltwalze auch andere geeignete Schalteinrichtungen
Verwendung finden.
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Bei der steuerbaren Drosselspule kann man sich natürlich alle bekannten
Einrichtungen zunutze machen, durch die eine Verringerung der Oberwellen in Strom
und Spannung bewirkt wird.
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Statt einer steuerbaren Drosselspule mit veränderbarer Vormagnetisierung
können auch andere. steuerbare Drosselspulen verwendet werden, z. B. solche mit
verschiebbarem Kern und veränderlichem Luftspalt. Im übrigen kann selbstverständlich
jede beliebige
andere Art einer veränderbaren Induktivität im Sinne
der Erfindung angewandt werden.