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Stufenlose Blindstromkompensation Die Erfindung bezieht sich auf eine
Einrichtung zur stufenlosen und insbesondere selbsttätigen Kompensation eines sich
laufend ändernden induktiven oder kapazitiven Blindstromes durch einen steuerbaren
Blindstromv erbraucher.
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In verschiedenen elektrischen Anlagen treten infolge der Eigenart
des jeweiligenArbeitsprozesses induktive oder kapazitive Blindströme auf, deren
Betrag sich relativ schnell und laufend ändert. Dies ist beispielsweise bei einer
induktiven Schmelzanlage der Fall, bei der sich das Schmelzgut in Inneren einer
von Wechselstrom durchflossenen Wicklung befindet. Der induktive Widerstand dieser
Wicklung ist dort beim Schmelzen von ferro-, para- und diamagnetischen Stoffen wegen
der Änderungen der ohmschen und magnetischen Verhältnisse im Schmelzgut erheblichen
Schwankungen unterworfen. Um eine möglichst hohe Leistungsaufnahme des Schmelzofens
zu erzielen bzw. die Zuleitungen und den Generator zu entlasten, muß der sich laufend
ändernde induktive Ofenblindstrom durch Parallelkapazitäten ständig kompensiert
werden. Es war bislang notwendig, die wirksame Parallelkapazität durch Zu- oder
Abschalten von Kondensatoren über Schaltschütze von Hand oder auch durch eine selbsttätige
Schalteinrichtung dem jeweiligen Zustand des Schmelzgutes anzupassen.
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Es ist offensichtlich, daß derartige Schalteinrichtungen kompliziert
aufgebaut und durch Abnutzung der beweglichen Teile störanfällig sind. Dies bedingt
eine ständige oder zumindest regelmäßige Wartung derartiger Anlagen. Weiterhin müssen
die Schaltschütze und Kondensatoren besonders hohen Anforderungen genügen, da unter
Spannung geschaltet wird. Dieser Umstand verursacht einen erheblichen Kostenaufwand
für die verschiedenen Kondensatoren und Schaltschütze. Ferner kann nach dem bisherigen
Verfahren der induktive Ofenblindstrom nur stufig, d. h. nicht exakt genug kompensiert
werden.
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Es ist bekannt, kapazitiven Blindstrom dadurch stufenlos zu kompensieren,
daß der Quelle kapazitiven Blindstromes eine regelbare Drosselspule parallel geschaltet
wird. Mit derartigen Transduktordrosseln lassen sich aber nur verhältnismäßig kleine
Blindströme mit vertretbarem Aufwand und technischem Erfolg kompensieren. Blindströme
in der Größenordnung von 1000 Ampere bei 1000 Volt Generatorspannung, wie sie bei
mittelgroßen Schmelzanlagen üblich sind, würden nämlich Kerndimensionen erfordern,
die wegen ihrer Ausdehnung wirtschaftlich untragbar und durch ihre damit verbundenen
Verluste auch technisch völlig uninteressant sind. Bei einem bekannten Vorschlag
wird daher auch die stufige Anschaltung von Kondensatoren verschiedener Größe beibehalten,
und es werden lediglich die Zwischenstufen mit Hilfe einer geregelten Transduktordrossel
überbrückt und ausgeglichen.
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Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Kompensationsanordnung in der
Lage, den gesamten Änderungsbereich des Blindstromes bei einer induktiven Schmelzanlage
in einem einzigen Bereich kontinuierlich zu durchfahren. Die bislang noch notwendigen
und teueren Schaltschütze fallen gänzlich fort, und die bisher in mehrere Einheiten
aufgeteilte Gesamtkapazität kann zu einer einzigen festen Einheit zusammengefaßt
werden. Ferner können durch die erfindungsgemäße Anordnung die Verhältnisse so gewählt
werden, daß auf den Zuleitungen zum Schmelzofen eine kleine kapazitive Komponente
resultiert.
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Die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung macht zwar Gebrauch
von einem an sich bekannten Transduktor, sie ist aber im wesentlichen dadurch gekennzeichnet,
daß die Kompensation des Blindstromes durch eine schwache bis mittelstarke Gleichstromvormagnetisierung
eines stromsteuernden Transduktors erfolgt, dessen äußerst niederohmig dimensionierte
Ausgangswicklung der zu kompensierenden Blindstromquelle unmittelbar parallel liegt
und dessen Steuerwicklung über ein oder mehrere Verstärkerglieder bekannter Art
am Ausgang eines üblichen Blindstrommessers angeschlossen ist.
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In den Abbildungen wird die Erfindung an Hand des schon erwähnten
Beispieles eines induktiven Schmelzofens näher erläutert.
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Gemäß dem Prinzipschaltbild in Abb. 1 wird die steuerbare Induktivität
durch die Wicklung 1 verkörpert. die parallel zur Ofenwicklung 2 liegt. Parallel
dazu liegt der Kondensator 3. Diese Bauelemente sind über die Leitungen 4, und 42
mit der Wechselstromquelle 5, einem Mittelfrequenzgenerator für beispielsweise 10
kHz, verbunden. Der Kondensator 3 ist dabei so bemessen, daß er den maximal auftretenden
induktiven Ofenstrom kompensiert.
Abb. 2 zeigt den Aufbau des aus
den beiden Teilen T, und T2 bestehenden Transduktors (vgl. hierzu Abb. 1, Wicklung
1). Er besteht aus den beiden nebeneinanderliegenden Eisenpaketen 6 und 7, die als
Bandringkerne ausgebildet sind, der Lastwicklung 8 und 9 und der Steuerwicklung
10, die gemeinsam die beiden anderen Schenkel der Kerne 6 und 7 umgibt. Die Lastwicklung
setzt sich aus zwei Teilen zusammen, die gegensinnig gewickelt und einander parallel
geschaltet sind. Da an beiden Teilen der Lastwicklung die gleiche Wechselspannung
liegt, hebt sich die Wirkung der in den Mittelschenkeln fließenden Induktionsflüsse
auf die Steuerwicklung 10 auf.
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In Abb. 3 a sind zur Erläuterung der Wirkungsweise zwei den beiden
Transduktoren T1 und T, zugeordnete idealisierte Magnetisierungskurven dargestellt.
Die Gleichstromvormagnetisierung soll dabei so gewählt sein, daß bei fehlender Wechselspannung
der Kern 6 im Punkt P1 in negativer Richtung und der Kern 7 im Punkt P, in positiver
Richtung gesättigt sein würde.
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Beim Anschluß der Lastwicklung an Wechselspannung überlagert sich
dem konstanten Gleichfluß der Vormagnetisierung in jedem Transduktor ein zusätzlicher
Wechselfluß.
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Die Kerne der Transduktoren und die Lastwicklungen 8 und 9 sind dabei
hinsichtlich der Wechselspannung so bemessen, daß sie bei fehlender Vormagnetisierung
durch die Wechselspannung nicht in Sättigung kommen.
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Bei Vormagnetisierung hingegen werden die Magnetisierungskurven nicht
mehr symmetrisch zur H-Achse durchgesteuert, sondern die Wechselflüsse werden nach
Maßgabe der Vormagnetisierung in Richtung P1 bzw. P, verschoben, so daß sich die
in Abb. 31) dargestellten Ausschnitte aus den Schwingungszügen der beiden
Transduktoren vom Zeitpunkt t1 an ergeben. wobei ii die anliegende Wechselspannung
und i1 bzw. i, die Ströme in den Wicklungen 8 und 9 sind.
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Während der positiven Halbwelle der Spannung kann der Strom in der
Lastwicklung von T1 nur die Größe des Steuerstromes erreichen. Bei weiterem Ansteigen
der Spannung kommt nämlich der Kern von T1 aus dem Sättigungsbereich heraus, weil
die sättigende Wirkung des Steuerstromes in diesem Falle gerade aufgehoben wird.
Wegen der im steilen Teil der Entmagnetisierungskennlinie sehr großen Induktivität
der Lastwicklung bleibt der Strom il zunächst konstant, bis sich gegen Ende der
darauffolgenden negativen Halbwelle das Feld wieder so weit in das negative Gebiet
verschoben hat, daß der untere Knick erreicht ist. In diesem Falle ist der Kern
von T1 wieder in Sättigung, und il springt auf einen hohen Wert, der bei einer bestimmten
Spannung u einerseits vom ohmschen Widerstand der Lastwicklung 8 abhängt und andererseits
vom Grad der Vormagnetisierung. Ist diese größer, als in Abbildung 3 a dargestellt,
so wird der untere Knick der Magnetisierungskennlinie beim Rücklauf des Feldes eher
erreicht, und die Zeit, während der der Kern von T1 gesättigt ist, wird länger,
so daß eine größere Strom-Zeit-Fläche resultiert. Im rechten Kurvenzug der Abb.3b
liegen im Prinzip dieselben Verhältnisse vor. Durch den zur Wickhing 8 entgegengesetzten
Windungssinn der Wicklung 9 wird hier das Gebiet der Sättigung in den positiven
Halbwellen der Spannung erreicht, so daß an deren Ende Stromimpulse in positiver
Richtung fließen. Die schon genannten konstanten und von dem Grad der Vormagnetisierung
abhängigen Teile der Ströme i1 und i, haben, einander entgegengesetzte Richtung
und heben sich in ihrer Wirkung auf den Außenkreis auf.
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Da die Stromimpulse jeweils am Ende der zugehörigen Spannungshalbwelle
zustande kommen, entspricht dies einer induktiven Phasenverschiebung von nahezu
90°.
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In Abb. 4 sind die an dem mit Kondensator und Regeldrossel zusammengeschalteten
Ofen auftretenden Spannungs- und Stromverhältnisse für den Fall dargestellt, daß
die Amplitude des kapazitiven Blindstromes i"p um etwa 50% größer als die des induktiven
Blindstromes iind ist. Es würde demgemäß in den Leitungen zum Generator ein resultierender
kapazitiver Blindstrom fließen. Wie der Abbildung unschwer zu entnehmen ist, trifft
der von der beschriebenen Kompensationsanordnung aufgenommene Stromimpuls i""Zp
zeitlich mit der entgegengerichteten Halbwelle des kapazitiven Stromes zusammen.
Es findet dementsprechend eine Kompensation statt. Für eine vollständige Kompensation
wird die Vormagnetisierung so gewählt, daß die Strom-Zeit-Fläche des Kompensationsimpulses
mit derjenigen der Halbwelle des induktiven Blindstromes zusammen gleich der Strom-Zeit-Fläche
der kapazitiven Halbwelle ist. Es ist daher mit der beschriebenen Regeldrossel möglich,
durch eine einfache und billige Gleichstrom-Steuerung eine stufenlose Kompensation
des kapazitiven Blindstromes zu erzielen.
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Der Lastwicklung der Regeldrossel ist kein äußerer Widerstand vorgeschaltet.
Die Amplitude der von ihr aufgenommenen Stromimpulse hängt daher bei gleichbleibender
Vormagnetisierung nur von ihrem ohmschen Widerstand ab. Da weiterhin die Enden dieser
Impulse bei verschiedener Vormagnetisierung im wesentlichen immer mit dem Nulldurchgang
der Spannungskurve zusammenfallen, ist die 90°-Phasenverschiebung um so besser,
je kürzer und steiler die Impulse bei gleicher Strom-Zeit-Fläche sind. Der ohmsche
Widerstand der Lastwicklung wird daher so niedrig wie möglich gehalten.
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In Abb. 2 sind die beiden von den Wicklungen 8 und 9 freien Schenkel
der Kerne 6 und 7 gemeinsam von einer Steuerwicklung umgeben. Hierdurch wird, wie
schon im Zusammenhang mit der genannten Abbildung kurz ausgeführt, erreicht, daß
sich die Wirkungen der Wechselflüsse in den benachbarten Kernen in bezug auf den
Steuerkreis aufheben. Dies wäre zwar auch der Fall bei der üblichen Aufteilung in
zwei räumlich getrennte Kerne mit eigenen Steuerwicklungen. Jedoch hätte eine derartige
Anordnung den Nachteil, daß an jeder Steuerwicklung zunächst eine hohe Induktionsspannung
auftritt, die sich erst durch die gegensinnige Zusammenschaltung beider Steuerwicklungen
nach außen hin aufhebt. Die dadurch bedingte hohe spannungsmäßige Belastung der
Isolation der beiden Wicklungen wird bei einer Anordnung nach Abb. 2 vermieden,
weil hier die in den Kernen fließenden Wechselflüsse einander entgegengesetzte Richtung
haben. Es findet somit bereits eine Art magnetischer Kompensation statt.
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Abb. 5 zeigt die Zusammenschaltung des erfindungsgemäßen Blindstromverbrauchers
mit einem J-sin T-Messer und einem demselben nachgeschalteten Magnetverstärker zu
einer selbsttätigen Blindstromkompensationsanlage.
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An eine T-sin T-Meßanordnung 11 bekannter Art ist über zwei Gleichrichter
12 und 13 ein normaler stromsteuernder Magnetverstärker 14 angeschlossen. Die Arbeitsweise
dieses Verstärkers ist bekannt, so daß hier auf eine nähere Erläuterung verzichtet
werden
kann. Die Gleichrichter 12 und 13 bewirken,
daß der Transduktor 14 nur dann vormagnetisiert wird, wenn in den Leitungen 41 und
42 kapazitiver Blindstrom fließt.
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Die Last für den Transduktor 14 ist an diesen über die Gleichrichterbrücke
15, die einen nicht mitgezeichneten Glättungskondensator enthält, die Steuerwicklung
10 der erfindungsgemäßen Regeldrossel angeschlossen, deren Ausgangswicklungen 8
und 9 der Ofenwicklung 2 parallel geschaltet sind.
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Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist nach dem bisher Gesagten leicht
zu übersehen. Sinkt der induktive Blindstrom in der Ofenwicklung während des Schmelzvorganges,
so fließt in den Leitungen 41 und 42 ein resultierender kapazitiver Blindstrom.
Hierbei entsteht am Ausgang der I - sin 99-Meßanordnung eine Gleichspannung, die
einen Stromfluß über die Steuerwicklung des Transduktors 14 bewirkt. In ihm wird
die Steuergröße verstärkt und steuert sodann die Stromaufnahme der Lastwicklungen
8 und 9 der erfindungsgemäßen Regeldrossel so, daß der kapazitive Blindstrom nahezu
kompensiert wird und sich bei einem kleinen und erwünschten kapazitiven Reststrom
ein Gleichgewichtszustand einstellt. Durch die große Parallelkapazität zur Ofenwicklung
werden die durch die impulsförmige Stromaufnahme der Regeldrossel entstehenden Oberwellen
wirksam kurzgeschlossen.
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Versieht man den Vorverstärker 14 zusätzlich mit einer zweiten Steuerwicklung
und schickt durch diese einen festen oder dem Leistungs-Scheinstrom proportionalen
Gleichstrom, so regelt die erfindungsgemäße Blindstrom-Kompensationsanlage in dem
einen Falle auf einen festen, dem vorgegebenen Gleichstrom entsprechenden Blindstrom
I-sin 99 und im anderen Falle auf einen wählbaren Leistungsfaktor cos 99. Diese
Zusatzwicklung ist notwendig, wenn ein cos (p ungleich cos cp=1 auf der Leitung
erwünscht ist.
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Für die Steuerung kleiner Blindströme kann auch eine sogenannte induktivitätsgesteuerte
Regeldrossel Verwendung finden, bei der der Arbeitspunkt durch die vormagnetisierende
Steuergröße in dem steileren und noch nicht völlig gesättigten Gebiet der Magnetisierungskennlinie
hin und her verschoben wird. Diese Anordnung hat den Vorteil einer besonders guten
Oberwellenfreiheit.
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An Stelle der hier vorteilhafterweise aus dünnem Eisenband bestehenden
Kerne 6 und 7 ist für hohe Frequenzen ein auf Ferritbasis hergestelltes Kernmaterial
zweckmäßig.