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.Anordnung zur Herstellung einer erwünschten Spannung an Netzfrequenzinduktionsöfen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Herstellung einer erwünschten Spannung
an Netzfrequenzinduktionsöfen. Sie zeigt eine besondere Gestaltung des elektrischen
Arbeitskreises der Netzfrequenzinduktionsöfen für Schmelz- und Glühzwecke, mit welcher
eine von der Netzspannung unabhängige Ofenspannung erstellt und in gewissen Grenzen
geregelt werden kann.
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Nach dein Stande der Technik wird der Arbeitskreis der Induktionsöfen
zum Anschluß an das Drehstromnetz gemäß Bild 1 ausgeführt. Die Ofenspule O ist durch
die Parallelkapazität C, genau auf Stromresonanz auskompensiert, so daß an der Netzphase
ein ohmscher Wechselstromwiderstand liegt. Die beiden anderen Phasen arbeiten auf
den induktiven Widerstand einer Drossel D und auf den kapazitiven eines Kondensators
CS, wobei der ohmsche Widerstand des Ofenkreises 1/1/3-mal so groß ist wie diese.
Damit wird eine symmetrische Belastung des Drehstromnetzes erzielt. Um die Ofenspannung
und damit die Leistung zu regulieren, ist ein Regeltransformator RT vorgeschaltet,
der als Autotransformator ausgeführt ist, mit welchem die Ofenspannung in etwa sechs
bis sieben Stufen heruntergeregelt werden kann, mit einer davon erhöht. Zwecks Regelung
wird das Netzschütz S abgeschaltet, der Regeltransformator umgestellt und sodann
das Schütz S wieder eingeschaltet.
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Der Nachteil derartiger Anordnungen liegt zunächst im Aufwand eines
Regeltransformators, der als Autotransformator zwar nur einen Teil der Netzleistung
als Typenleistung aufweist, der aber wegen der erforderlichen Stufenschalteinrichtung,
die meist ferngesteuert wird, teuer ist. Zum anderen ist man mit dieser Einrichtung
an eine Ofenspannung gebunden, deren Nennwert gleich der Netzspannung ist.
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Wollte man eine wesentlich höhere Ofenspannung erstellen, dann müßte
als Regeltransformator ein Isoliertransformator angewendet werden, der eine Typenleistung
im Betrage der Netzleistung besitzt. Dabei ist aber die übliche Ofenspannung von
380 V selbst bei kleinen Netzfrequenz-Tiegelöfen für nur 1 t Schmelzgut schon weitaus
zu niedrig. Die Schwierigkeiten werden bei größeren Ofen, bis zu 10 t und mehr Einsatz,
noch größer. Denn die optimale Ofenspannung bestimmt sich von der Ofenspule her,
nämlich danach, wie viele Windungen mit einem wassergekühlten Kupferleiter für Netzfrequenz
und tunlichst kleiner Profilhöhe (7 bis 9 mm) in der einlagigen Spulenwicklung untergebracht
werden können. Erst wenn sich nach diesem Gesichtspunkt für sehr große Ofen eine
so hohe Spannung ergibt, daß Isolationsschwierigkeiten entstehen, richtet sich die
Wahl der Ofenspannung danach. Mit zu niedriger Ofenspannung müssen die Ofenspulen
trotz der Verwendung starker Leiterprofile oftmals zwei- und sogar dreifach parallel
geschaltet werden.
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Der Nachteil der zu niedrigen Ofenspannung und des damit verbundenen
hohen Ofenstromes wirkt sich vor allem in den Zuleitungen aus, deren Widerstände
- der ohmsche und der induktive- dann einen erheblichen Prozentsatz des Ofenwiderstandes
ausmachen. Die betrieblichen Verhältnisse - oftmals an vorhandene Baulichkeiten
gebunden - verlangen stets einen größeren Abstand zwischen dem Ofen und der Kondensatorenbatterie,
bei Wechselbetrieb mit zwei Öfen zuweilen 10 m und mehr. Über diese Entfernung eine
Wirkleistung von z. B. 600 kW bei einem Leistungsfaktor von nur 0,2 mit 380 V und
8000 A zu transportieren, ist technisch nicht mehr vertretbar.
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Nicht nur, daß der hohe Übertragungsstrom gewichtige Zuleitungen verlangt
und insbesondere die Konstruktion der flexiblen Anschlüsse bzw. die Trennkontakte
bei kippbaren Ofen sehr erschwert, verursachen einerseits die relativ hohen Zuleitungsverluste
eine empfindliche Verschlechterung des Wirkungsgrades und andererseits die relativ
hohen induktiven Widerstände eine Minderung des Leistungsfaktors, woraus erhöhte
Anschaffungskosten für die Kondensatorenbatterie zur Blindstromkompensation erwachsen.
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Die Erfindung soll den vorbeschriebenen Übelständen unter Einsparung
des Reguliertransformators abhelfen. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß
die Kapazität der Parallelkondensatorenbatterie bei deren zulässigen Spannungsbeanspruchung
bzw. bei voller Leistungsaufnahme des Ofens wesentlich kleiner ist als die Resonanzkapazität,
jedoch zuschaltbare Kondensatoren vorgesehen sind, die die Kapazität der Parallelkondensatorenbatterie
zwecks Herunterregelung der Ofenleistung vergrößern, höchstfalls bis zur
Resonanzkapazität,
und daß der Parallelschaltung aus Ofenspule und Parallelkondensatorenbatterie ein
auf den geforderten Netz-Leistungsfaktor der Anordnung bemessener Serienkondensator
vorgeschaltet ist.
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Mit den Bildern 2 und 3 wird die Erfindung erläutert. Gegenüber der
Arbeitskreisschaltung nach Bild 1, die den Stand der Technik vertritt, fehlt in
der Anordnung nach Bild 2 der Regeltransformator. Dafür tritt in der Ofenphase ein
Teil der Kondensatorenbatterie als Reihenkapazität C,. in Erscheinung. Das Vektordiagramm
der Widerstände in Bild 3 erklärt die Wirkungsweise der Anordnung. Die Buchstaben
r und x bezeichnen die Wirk- und Blindkomponente des Ofenwiderstandes. Mit wachsender
Parallelkapazität C, wandert die Vektorspitze des Gesamtwiderstandes vom Punkt Al
über A2 und .43 nach A4, wo die Ofenspule voll auskompensiert ist und sich der ohmsche
Gesamtwiderstand ÖA4 einstellt, wie dies nach dem Stande der Technik durchweg angestrebt
wird.
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Im Vollastfalle ist nur so viel Parallelkapazität zugeschaltet, daß
der Arbeitspunkt A2 erreicht ist, so daß sich der Ofenwiderstand 04., ergibt. Diesem
vorgeschaltet ist der kapazitive Widerstand. 0'O des Reihenkondensators. Die geometrische
Summe der beiden Widerstände ist, wie das Diagramm ausweist, gleich 0'A..,. Multipliziert
man die Widerstände mit dem Netzstrom, dann wird aus dem Dreieck 0'0A2
ein
Spannungsdreieck, woraus die Netzspannung 0'A=, die Ofenspannung 0A2 und
die Spannung am Reihenkondensator 0'O zu entnehmen sind.
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In dem gezeichneten Fall des Erfindungsbeispieles ist die N.. -spannung
0'A2 = 380 V, die Ofenspannung ÖA2570 V und die Spannung am Reihenkondensator
U70-- = 410 V. Die Ofenspannung von 570 V ist für einen Tiegelofen mit 1 t Fassungsvermögen
und 300 kW Leistung gut brauchbar. Die Spannungen 410 und 570 V können mit den handelsüblichen
\Tetzfrequenzkondensatoren unter Dauerbelastung aufgebracht werden.
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Durch Zugabe von Zusatzkapazitäten zwecks Leistungsregulierung rückt
der Arbeitspunkt nach rechts, bis sich der Gesamtwiderstand im Arbeitspunkt
A3 mit 0'A3 = 2mal 0'A2 verdoppelt, wonach die Ofenleistung bei Halblast angelangt
ist. Wie aus dem Diagramm unmittelbar zu ersehen ist, bleibt der Gesamtwiderstand
im Zuge des Regelvorganges praktisch ohmisch, so daß der kapazitive Reihenwiderstand
0'O nicht nachgeregelt werden muß.
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Bei größeren Ofen, die etwa mit 2mal 570V
= 1140 V maximal betrieben
werden, liegt der Arbeitspunkt.42 weiter links, und es spielt sich dann die Regelung
von Voll- auf Halblast auf der Kreiskuppe ab.
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Die Vorteile, die die Anordnung nach der Erfindung gegenüber dem Stande
der Technik erbringt, sind im einzelnen: 1. Der Regeltransformator fällt fort, womit
nicht nur eine quantitative Einsparung erzielt wird, sondern auch eine qualitative.
Das heißt, es fällt ein besonderer Teil der Konstruktion weg, wodurch die Anlage
im Aufbau einfacher wird. Der Reihenkondensator C,. verkörpert andererseits keine
Anreicherung der Bauteile, da dieser lediglich aus einer besonderen Verschaltung
der ohnehin vorhandenen Kondensatorenbatterie hervorgeht.
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2. Die Regelung mittels der Parallelkondensatoren gestaltet sich technisch
einfacher als mittels Regeltransformator. Da nach #em Stande der Technik ohnehin
schon Schaltstufen für die Parallelkondensatoren vonnöten sind, erfordert die Anordnung
nach der Erfindung nur eine Erweiterung des Regelbereiches, der sich mit wenigen
Schützen in feine Stufen unterteilen läßt, wenn die Schalteinheiten im Verhältnis
1 :2:4:8: ... ausgelegt werden, welche Maßnahme beim Regeltransformator ja nicht
möglich ist.
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3 Infolge der Serienschaltung von Kondensatoren beträgt der Ladestromstoß
beim Einschalten, wofür die Kapazität C,. - Cl,/ (C,. + C") maßgebend ist, nur 12°/o
von demjenigen der bekannten Anlagen. Dadurch wird das Hauptschaltschütz .S' sehr
geschont.
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4. Die Ofenanlage ist absolut kurzschlußsicher; denn tritt am Ofen
ein Kurzschluß auf, dann ist immer noch der Reihenkondensator intakt, der laut Diagramm
in Bild 3 nur einen kapazitiven Strom in Höhe des Nennstromes zuläßt (Widerstand
0'O ist ungefähr gleich 0'A2, dem Gesamtwiderstand).
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5. Da die Ofenzuleitungen nicht auf Kurzschlußströme und -kräfte berechnet
werden müssen. kann von der robusten Schienenführung der Zuleitungen abgegangen
werden. Eine Verblechung an Stelle der Schienen verbürgt durch eine enge. gegenseitige
Führung der Leitungen und durch Großflächigkeit für eine verschwindende Induktivität
und geringe Betriebstemperatur.
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6. Der Hauptvorteil ist die Freizügigkeit in der Wahl der Ofenspannung,
die nunmehr nach konstruktiven Gesichtspunkten gewählt werden kann. also nicht mehr
an die gegebene Netzspannung gebunden ist.
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7. Die Gestehungskosten der Anlage mit der neuen Anordnung sind kleiner
als bei den bekannten Anlagen, weil erstens der Regeltransformator entfällt und
zweitens alle stromführenden Teile, wie Kondensatoren, Schütze, Leitungen, Klemmstellen
usw., sich für eine höhere Spannung und geringeren Strom billiger stellen. Dabei
werden die für den Regeltransformator eingesparten Kosten bei weitem nicht von den
Mehrausgaben für die nach der Erfindung benötigten Zusatzkapazitäten und den zusätzlichen
Schaltstufen aufgezehrt. Die durch die Feinregulierung ermöglichte genaue Auslastung
der Kondensatoren holt bereits die zusätzliche, kapazitive Leistung herein, die
die Regelung erfordert.
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B. Der Wirkungsgrad der Anlage verbessert sich auf Grund des fortfallenden
Regeltransformators und auch infolge des niedrigen Ofenstromes, der in den Leitungen
und Klemmstellen weniger Verluste verursacht.
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Den genannten Vorteilen steht als Nachteil allein der Umstand gegenüber,
daß bei der Regelung der Leistung mittels der Parallelkondensatorenstufen auch die
Symmetrierung (D und CS) mitgeregelt werden muß, was beim Regeltransformator nicht
der Fall ist. Dieser Nachteil macht sich bei Handregelung durch einen zusätzlichen
Bedienungshandgriff bemerkbar.
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Um nicht den weiteren Nachteil in Kauf nehmen zu müssen, auch den
Reihenkondensator im Zuge der Leistungsregulierung mitregeln zu müssen, ist die
Ofenspannung relativ zur Netzspannung so gewählt, daß der Regelbereich auf der kreisförmigen
Ortskurve in Bild 3 (A2 bis A3) im wesentlichen auf der Kreiskuppe zu liegen kommt,
so daß für die günstigste Auslegung der Reihenkapazität C,. (Lage des Ursprunges
O') der
Leistungsfaktor der Ofenphase während des Regelvorganges
nur wenig schwankt. Eine Änderung im Betrage von 0,05 stört die Symmetrierung nicht
sonderlich.
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Liegt jedoch der Regelbereich zwischen A2 und A" zufolge einer relativ
sehr hohen Ofenspannung so weit links am Kreis nach Bild 3, daß die Ordinate von
A2 nach A3 kontinuierlich ansteigt, kommt man nicht umhin, den Ursprung 0' während
des Herabregelns der Ofenspannung bzw. -leistung zu heben, d. h., den kapazitiven
Widerstand des Reihenkondensators (0'0) zu vergrößern. In diesem Falle wird die
zusätzliche Regelkapazität, die den Parallelkondensatoren C" zugeschaltet wird.,
ganz oder teilweise der Reihenkondensatorenbatterie entnommen, wodurch deren Widerstand
automatisch ansteigt. Dies ist ermöglicht, weil für den Fall relativ hoher Ofenspannung
ohnehin der Reihenkondensator für dieselbe Nennspannung ausgelegt ist wie der Parallelkondensator
(0'O ist ungefähr gleich 0A2).