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Anordnung für die unmittelbare Stromerwärmung metallischer Werkstücke
durch Gleichstrom Metallische Werkstücke, z. B. Walzknüppel, werden in manchen Fällen
zweckmäßig durch direkten Stromdurchgang erwärmt. Die Leistung für diese Erwärmung
wird gewöhnlich den 50-Hz-Netzen entnommen. Durch die Stromverdrängung unterhalb
des Curiepunktes und die Eigeninduktivität der Anlage ändert sich bei konstanter
Spannung die aufgenommene Leistung während des Erwärmungsvorganges nur wenig, obwohl
der Wirkwiderstand des Werkstückes mit der Erwärmung erheblich zunimmt. Erst gegen
Ende des Vorganges, nach überschreiten der Curietemperatur, steigt die Leistung
und auch der Strom leicht an, so daß sich, wie erwünscht, ein annähernd der Zeit
proportionaler Temperaturanstieg ergibt.
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Weicht das Werkstück in seinem Querschnitt stark von der Kreis- oder
Quadratform ab, so erwärmt der durch die Stromverdrängung in die von der Mittellinie
entferntesten Kanten verdrängte Strom das Werkstück ungleichmäßig. .
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Vorgeschlagen wurde bereits, für die Erwärmung derartiger Werkstücke
Gleichstrom zu verwenden. Bei Gleichstrom fällt jedoch die Wirkung der Eigeninduktivität
und der Stromverdrängung weg. Deshalb steigt der gesamte für die Stromaufnahme maßgebende
Widerstand bei normalen Kohlenstoffstählen infolge der Erwärmung des Werkstückes
auf ein Mehrfaches seines Anfangswertes an, und die Leistung sinkt fortschreitend
bis auf einen Bruchteil der Nennleistung.
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Eine Anpassung der am Werkstück liegenden Spannung an den wachsenden
Widerstand durch herkömmliche Steuereinrichtungen ist schwierig. Durch ein einmaliges
Umschalten im günstigsten Zeitpunkt und bei der Wahl eines optimalen Stromwertes
ist die Heizdauer noch ungefähr viermal so lang wie bei Regulierung auf konstanten
Strom.
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Für eine Konstanthaltung des Stromes bestehen folgende Möglichkeiten:
1. Regulierung durch Laststufenschalter.
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Da der Vorgang dauernd wiederholt und jedesmal ein großer Bereich
(1:6,6) durchgeregelt werden muß, werden die mechanischen Elemente sehr stark beansprucht.
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2. Regulierung durch Transduktoren.
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Wegen der für die benötigten Leistungen und Regulierungsbereiche sehr
hohen Kosten scheidet diese Regulierung praktisch aus.
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3. Regulierung durch steuerbare Halbleitergleichrichter.
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Für die benötigten Stromstärken von 50 bis 80 kA ist sie aus wirtschaftlichen
Gründen kaum zu vertreten. Sie bedingt außerdem eine hohe Blindleistungsaufnahme
der Anlage.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird vorgeschlagen, eine ruhende Konstantstromschaltung
vor dem Gleichrichtertransformator zu verwenden. Eine derartige Schaltung ist als
»Boucherot-Schaltung« bereits bekannt.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung für die unmittelbare Stromerwärmung
metallischer Werkstücke durch Gleichstrom über Transformator und Gleichrichter,
so daß primärseitig dem Gleichrichtertransformator ein oder mehrere Kondensatoren
parallel geschaltet sind und in Reihe mit dieser Parallelschaltung eine Drosselspule
liegt und daß Drosselspule und Kondensatoren auf Resonanz mit der Netzfrequenz oder
bestimmte Abweichungen von dieser Resonanz einstellbar sind.
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Wie aus der Zeichnung (Fig. 1) ersichtlich ist, erfolgt die Einspeisung
aus einem Wechselstromnetz 7 über einen Schalter 6 in die Anordnung zur Erwärmung
eines Werkstückes 1. Der durch dieses Werkstück fließende Strom wird in einem Gleichrichter
2 gleichgerichtet. Mit einem vor diesem Gleichrichter angeordneten Transformator
3 wird die Hochspannung des Netzes auf die erforderliche Niederspannung transformiert
und der Arbeitsstrom bzw. die gewünschte Heizdauer eingestellt. Parallel zu diesem
Transformator sind Kondensatoren 4 angeordnet und dazu eine Drossel 5. Diese
Drossel ist mit dem Kondensator auf Resonanz mit der Netzfrequenz abgeglichen. An
der Drossel können für diesen Abgleich entweder Anzapfungen oder ein veränderlicher
Luftspalt vorgesehen werden.
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Die Bedeutung der Anordnung ergibt sich aus folgender Betrachtung:
Das Ersatz-Schaltbild der
Schaltung gemäß oben beschriebener Anordnung
ist aus Fig. 2 ersichtlich. Darin ist J der Netzstrom und 2.C die Netzspannung.
L entspricht der Induktivität der Drossel und C der Kapazität der Kondensatoren.
Der Belastungswiderstand des Werkstückes sowie der Widerstand der Gleichrichter
als auch der Widerstand des Transformators werden in dem Widerstand R zusammengefaßt.
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.Sc ist der durch die Kondensatoren und SR der durch den Belastungswiderstand
fließende Strom. Damit lassen sich folgende drei Gleichungen aufstellen:
Gleichung II in Gleichung I eingesetzt: 11=S- ja)L+SR-R; wird dieser Ausdruck nach
.S = .Sc -f- .SR aufgelöst und durch ja) C geteilt, so ergibt sich:
darin die linke Seite nach Gleichung II ersetzt, ergibt
Für Resonanz von L und C gilt stand R fließenden Stromes unabhängig vom Ohmwert
dieses Widerstandes nur von der Netzspannung und der Reaktanz der Drossel abhängt,
wenn die Resonanzbedingung für L und C erfüllt ist.
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Berücksichtigt diese Ableitung auch nicht alle Einzelgrößen, z. B.
die Verlustwiderstände der Anordnung, so ergibt sich für die praktische Anwendung
doch genügend genau, daß der Strom durch das Werkstück unabhängig von seinem sich
mit der Erwärmung ändernden Widerstand automatisch konstant gehalten wird.
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Die Drossel und die Kondensatoren sind gemäß der Erfindung auf der
Primärseite des Heiztransformators angeordnet. Sie werden deshalb für Hochspannung
ausgelegt und sind damit besonders wirtschaftlich.
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Bei einem unbeabsichtigten Kurzschließen der Kontakteinrichtung am
Werkstück wird durch die Anordnung eine Überlastung der Kontakteinrichtung und der
Gleichrichter verhindert, weil auch dann nur der am Transformator eingestellte Betriebsstrom
fließt.
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Unter Umständen ist eine gewisse Abhängigkeit des Arbeitsstromes von
der Erwärmung des Werkstückes zweckmäßig. Diese kann durch eine bestimmte Verstimmung
des Resonanzkreises ermöglicht werden. Die Induktivität oder die Kapazität oder
beide können hierzu einstellbar ausgeführt sein.
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Für größere Leistungen wird die Anordnung zweckmäßig dreiphasig ausgeführt.
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Die überhöhung der Spannung im Resonanzkreis, die bei unbeabsichtigter
Öffnung des Belastungsstromkreises eintreten könnte, wird zweckmäßig durch eine
solche Bemessung der Drossel bzw. ihres Eisenkernes begrenzt, durch welche bei einem
Anstieg der Spannung an der Drossel ihre Induktivität stark abnimmt, so daß der
Resonanzkreis verstimmt wird.
daraus folgt, daß die Stärke des durch den Wider-