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Einrichtung zur Vermeidung der scharfen und toten Phase von Lichtbogenäfen
Lichtbogenöfen werden fast ausschließlich mit Drehstrom betrieben. Die physikalischen
Verhältnisse in einem Lichtbogenofen bedingen, daß die Leistung mit relativ hohen
Strömen, z. B. einigen 10 000 A, bei relativ kleinen Spannungen, z. B. einigen 100
V, zugeführt werden muß. Diese hohen Ströme induzieren über ihre starken Magnetfelder
in den praktisch nebeneinanderliegenden Phasen des Dreiphasensystems Spannungen,
die sich bei der geringen Spannung merkbar auswirken. Wären die Stromleitungen drehsymmetrisch
geführt, so würde die gegenseitige Beeinflussung in allen drei Phasen die gleiche
sein. Eine solche drehsymmetrische Zuführung der Stromleitungen ist aber bei den
üblichen Konstruktionen der Lichtbogenöfen aus räumlichen Gründen nicht möglich.
Als Folge der drehunsymmetrischen Leitungsführung sind auch die gegenseitig in den
drei Phasen induzierten Spannungen ungleich. Dadurch treten trotz symrretrischer
Netzspannung an der Sekundärseite des iblicherweise vorhandenen Ofentransformators
unsymmetrische Ströme auf. Wenn z. B. die Elektrodenarme in üblicher Weise nebeneinander
angeordnet sind. sind die Gegeninduktivitäten zwischen den äußeren und der mittleren
Phase größer als zwischen den beiden äußeren Phasen.
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Die unterschiedliche Stromaufnahme der Phasen ist unangenehm, weil
erfahrungsgemäß die Ausmauerung der Ofenwanne in der Umgebung der Phase mit höherer
Stromaufna`rme, der sogenannten scharfen Phase, infolge der erhöhten Abstrahlung
des Lichtbogens schneller zerstört wird als die Ofenausmauerung an der Plase mit
der geringeren Stromaufnahme, der sogenannten toten Phase. Infolgedessen muß der
Ofen früher außer B-.trieb genommen und neu ausgemauert werden, als wenn völlig
symmetrische Verhältnisse auf allen drei Phasen herrschen würden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Lichtbogenöfen die Erscheinungen
der scharfen und der toten Phase zli vermeiden. Hierzu sind folgende Bedingungen
zu erfüllon: 1. Die Ströme sollet in allen drei Phasen gleich groß sein; das er#ibt
für den Ofen automatisch auch die Bedingurg, daß die drei Ströme jeweils um 120°el
phasenverschoben sein müssen.
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2. Der Leistungsumsitz an den drei Elektroden soll gleich sein; hierzu
müssen bei gleichen Strömen die ohmschen Widerstände in allen drei Phasen gleich
groß sein.
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Diese Forderungen hssen sich nach einem anderweitigen Vorschlag bei
einem symmetrischen Spannungsdreieck der dem Ofen zugeführten Spannungen dadurch
erfüllen, daß ü die mittlere Phase eine zusätzliche Induktivität von ganz bestimmter
Größe eingeschaltet wird, die sich aus. der Größe der Gegeninduktivitätenergibt.
Diese Maßnahme setzt aber für ihre Wirksamkeit voraus, daß bei sonst gleicher Selbstinduktivität
der drei Phasen die Gegeninduktivitäten zwischen den drei Phasen sich nicht ändern
und daß auch die Gegeninduktivitäten der beiden äußeren Phasen gegen die =mittlere
gleich groß sind. Diese Bedingungen lassen sich aber nur unter erheblichen Einschränkungen
in der Freizügigkeit der Betriebsführung erzielen. Die vorliegende Erfindung betrifft
demgegenüber eine Einrichtung, mit der auch bei sich ändernden Gegeninduktivitäten,
wenn also keine feste gegenseitige Lage der drei Elektrodenarme vorausgesetzt wird,
die scharfe und die tote Phase ausger regelt werden. Die Erfindung setzt dabei voraus,
daß ein Regler vorhanden ist, der den Widerstand des Lichtbogens durch entsprechende
Einstellung des Elektrodenabstandes vom Schmelzgut auf einen vorgegebenen Wert regelt,
und besteht darin, daß zwei von den drei dem Ofen zugeführten verketteten Spannungen
jeweils umabhängig voneinander und unabhängig von der dritten Spannung mit Hilfe
zweier Regler einstellbar sind, die von der Differenz zweier Elektrodenströme beeinflußt
werden, und zwar einerseits von dem Strom derjenigen Elektrode, die nicht an die
zu regelnde verkettete Spannung, und andererseits von dem Strom (Bezugsstrom, Sollwert)
derjenigen Elektrode, die nicht an die ungeregelte verkettete Spannung angeschlossen
ist.
An Hand der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele
wird die Erfindung näher erläutert: In Fig. 1 bedeuten Eis, E21 und E32 die verketteten
Spannungen zwischen den Phasenleitern I, 1I und III, welche die Ofenströme J1, J2
und J3 führen. Die Phasenleiter sind in üblicher Weise, wie in Fig. 2 angedeutet
ist, von links nach rechts in der Reihenfolge I, II, III nebeneinander angeordnet
zu denken. Wählt man als Bezugsgröße die mittlere Phase 1I und legt man das Spannungsniveau,
auf dem der Ofen arbeiten soll, dadurch fest, daß man die verkettete Spannung E13
zwischen den äußeren Phasen I und III vorgibt, diese Spannung also nicht von der
Regelung beeinflussen läßt, so ergeben sich für die verketteten Spannungen am Ofentransformator
folgende Beziehungen: E12 = [R2 + jw (L2 - M12)] . 12 -@- jw
(M23 - M13) - I; - 'L [jw (M12 - Li) - Ri] . 11 E23 = [R3 +
jw (L3 - M23)] - 73 jw (M13 - M12) - 71 ,- [I w (M.,3
- L.;) - R2] 12
Im ausgeregelten Zustand, d. h. unter der Voraussetzung
symmetrischer Verhältnisse am Ofen, gelten für die beiden Phasenspannungen E120
und B230 die Gleichungen: E'190 = {R (1 - e-iß) + jw [L2 - L1 e-iß
- M12 (1 - e-iß) + (M23 - Mi3) eiß]} . 72
E230 =` {R (e'ß -
1) + 1w [L, e'ß - L2 -M23 (e'ß - 1) + (M,s-M12) e-iß]l . 72
Für
den nicht ausgeregelten Zustand lassen sich für die Abweichungen der jeweils wirklich
vorhandenen Spannungen E12 bzw. E23 gegenüber den erforderlichen Werten E'120 bzw.
E230 folgende Beziehungen aufstellen: E23 E230 - d F23 = [R
+ jw (L3 + M12 - M23 - M,3)1.
(l 2 e Iß - 71). E21 E120 - d r12 = [R + jw (L1 + M12 - M23
- M13)] # (7g - 7 e21ß). In diesen Gleichungen bedeutet der Strich
über einem Buchstaben, daß es sich um einen Vektor bzw. symbolischen Zeiger, wie
es zur Kennzeichnung von Wechselstromgrößen üblich ist, handelt. Im einzelnen bezeichnet
R den ohmschen Widerstand, der voraussetzungsgemäß für jede der drei Phasen gleich
groß anzusetzen ist, L die Selbstinduktion der einzelnen Phase, M die Gegeninduktivitäten
zwischen den jeweils im Index angegebenen zwei Phasen, j den betreffenden Phasenstrom
und ß = 23" = 120°e1.
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In den beiden letzten Gleichungen ist der Wert in der eckigen Klammer
bei der gegebenen Elektrodenstellung, aus der sich die jeweiligen Werte für M ergeben,
konstant, und die Klammerausdrücke 72e-iß-11 bzw. 73-12eiß sind also Soll-Ist-Wert-Differenzen,
die den Abweichungen 4E12 bzw. 4E23 proportional sind. Wird diese Soll-Ist-Wert-Differenz
zu Null, dann wird auch der Spannungsfehler zu Null. Auf dieser Bedingung ist die
neue Regelung zum Ausgleich der scharfen und der toten Phase, unabhängig von der
jeweiligen Stellung der Elektrodenarme, aufgebaut. Hierfür zeigt Fig. 2 ein Beispiel
in schematischer Darstellung.
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Die Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines Lichtbogenofens. In diesem
Schaltbild bezeichnet 1 den Hauptschalter, 2 den Ofentransformator, 3 einen Stromwandler
und 4 einen Lichtbogenofen. Die Elektrodenregelung für diesen Lichtbogenofen, d.
h. die Regelung des Elektrodenabstandes vom Schmelzgut zum Zwecke des Gleichhaltens
des Lichtbogenwiderstandes, erfolgt in .an .sich bekannter Weise durch eine nicht
dargestellte Regeleinrichtung selbsttätig.
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Die von den Meßwandlem 3 abgegriffenen Stromgrößen werden bei 5 miteinander
verglichen, und die jeweilige Differenz wird den Reglern 6 und 7 zugeführt. Der
Regler 6 erhält die Stromdifferenz zwischen den Phasen I und II und der Regler 7
die Differenz zwischen den Phasen II und III. Die Ausgangsgrößen der Regler 6 und
7 speisen die Verstellmotoren 8 und 9, während der Stellmotor
10 zur Einstellung der Bezugsgröße bzw. des Spannungsniveaus von Hand durch
ein Steuergerät 11 einstellbar ist. Die Stellmotoren 8 bis 10 steuern das übersetzungsverhältnis
des Ofentransformators 2 in den drei Phasen. Wegen der an der Sekundärseite des.
Ofentransformators 2 auftretenden hohen Sttbme wird die Spannungseinstellung auf
der Primärseite vorgenommen. In üblicher Weise kann die Einstellung über Anzapfungen
der Primärwicklungen stufenweise erfolgen.
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Tritt z. B. zwischen den Strömen in den Phasen I und 1I eine Differenz
auf, so wird über den Stellmotor 8 die zugehörige Transformatoranzapfung im korrigierenden
Sinne so lange verstellt, bis die Stromdifferenz verschwindet. Bei Au!treten einer
Differenz zwischen den Phasen II und III erfolgt in analoger Weise die Verstellung
der Anzapfung über den Stellmotor 9.
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In die Meßleitungen der Regelanordnung können, wie bei 12 angedeutet
ist, in bekannter Weise Gleichrichter in Ein- oder Doppelwegschaltung gelegt werden,
so daß man Gleichstronifehlersignale erhält. Es besteht jedoch gegebenenfalls auch
die Möglichkeit, Wechselstromgrößen miteinander zu vergleichen und in den Reglern
6 und 7 entsfrechend zu verarbeiten.
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Die Fig. 3 zeigt drei Ausfehrungsbeispiele für den grundsätzlichen
Aufbau der llegler 6 bzw. 7. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fg. 3 a wird das Fehlersignal,
z. B. der Betrag (12-t1), zunächst einem Proportionalverstärker 13 a zugeführt,
der in an sich bekannter Weise zur Unterdrückung von Extremwerten mit einem Begrenzer
ausgeristet ist. Sein Ausgangssignal fließt dann einem Verzögerungsglied 14 a zu,
das
die Aufgabe hat, kurzzeitige Stromabweichungen, die insbesondere beim Einschmelzbetrieb
von Stahlöfen unvermeidbar sind, zu unterdrücken, damit ein zu häufiges Ansprechen
des Reglers vermieden wird. Nur wenn eine länger andauernde Abweichung vorhanden
ist, gibt das Verzögerungsglied 14a das Signal an das nächste Reglerglied 15a weiter.
Dieses ist ein Kippglied mit breiter Schleife, d. h., der Kippvorgang wird sowohl
bei einer positiven als auch bei einer negativen Abweichung vom Nullwert erst eingeleitet,
wenn das Signal eine gewisse Mindestgröße erreicht hat, die ein Umschalten in die
nächsthöhere oder nächstniedrigere Spannungstufe am Transformator 2 rechtfertigt.
Das Zurückkippen erfolgt erst wieder, wenn das Eingangssignal den Ansprechwert weit
unterschritten hat, gegebenenfalls in die Nähe von Null abgesunken ist. Das Ausgangssignal
des Kippgliedes 15a bringt dann - wie symbolisch bei 16a angedeutet
ist - je nach seinem Vorzeichen eines der Stellglieder in Form von Relais oder Schützen
zum Ansprechen, die dann den Stellmotor 8 bzw. 9 in der entsprechenden Drehrichtung
ein- und ausschalten.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 b ist der proportionale Verstärker
13 b mit Begrenzung gegenüber der Ausführungsform in Fig. 3 a noch zusätzlich mit
einer Schwelle ausgerüstet, so daß er erst bei einer gewissen Mindestgröße des Fehlersignals
anspricht. Dieser Unempfindlichkeitsbereich berücksichtigt, daß die Änderung der
Phasenspannungen des Ofentransformators 2 nur dann erfolgen soll, wenn die Fehlergröße
die Umschaltung rechtfertigt. Als zweites Glied des Reglers ist ein Integrator
14b verwendet; die weiteren Glieder 15b und 16b sind wieder die gleichen
wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3
c ist das Eingangsglied 13 c als Kippglied mit Unempfindlichkeitsbereich ausgeführt.
Auch hiermit werden einerseits Eingangssignale unter einer gewissen Mindestgröße
unterdrückt und andererseits - beispielsweise beim Abreißen des Lichtbogens oder
bei Elektrodenkurzschluß - auftretende Maximalwerte des Fehlersignals nur bis zu
einer vorgegebenen Größe erfaßt. Die Maximalwerte sind in dem angewandten Regelungsprinzip
uninteressant, weil sie kein Kriterium zur Feststellung einer auszuregelnden Unsymmetrie
darstellen.
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Bei allen drei Ausführungsbeispielen Fig. 3 a bis 3 c ist der Ausgangswert
des Kippgliedes 15a, 15b, 15c
auf den Eingang des als Verzögerungsglied oder
Integrator ausgeführten zweiten Gliedes 14 a, 14 b, 14 c des
Reglers zurückgeführt, so daß dessen Aussteuerung rückgängig gemacht wird, sobald
das Kippglied 15 a, 15 b, 15 c anspricht. Es kippt wieder in
die Nullage zurück, wenn die Ausgangsgröße des zweiten Regelgliedes 14 a, 14 b,
14 c bis nahe Null zurückgegangen ist. Dieses Zurückführen des zweiten Reglergliedes
14 soll daher innerhalb der Laufzeit des Spannungsstellers am Ofentransformtor von
einer Stufe auf die nächste erfolgen, damit das dritte Reglerglied 15 vor Erreichen
der neuen Spannungsstufe rechtzeitig in die Nullage zurückkippen kann. Die Regelung
steht dann bei Erreichen der neuen Regelungsstufe in Ausgangsstellung zur erneuten
Erfassung von Unsymmetrien bereit.
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Die nur dem Wirkungsprinzip nach beschriebenen Elemente
13 bis 15 der Fig. 3 sind ihrem Aufbau nach bekannt und brauchen deshalb
in ihrer technischen Ausführung nicht dargestellt und näher beschrieben zu werden.
Es ist vorteilhaft, für die im Regler vorhandenen Schalt- und Verstärkungsmittel
Transistoren einzusetzen, die praktisch keine Trägheit besitzen und sich in der
Regelungs- und Verstärkertechnik bereits bewährt haben.
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Bezüglich der oben als, vorhanden vorausgesetzten Elektrodenregelung
zur automatischen Einstellung des Elektrodenabstandes auf eine vorgegebene Impedanz
des Lichtbogens ist noch nachzuholen, daß es bei der Anwendung der Symmetrieregelung
nach der Erfindung vorteilhaft ist, eine genauere Messung der Lichtbogenimpedanz
vorzunehmen, als es bisher üblich war. Hierzu ist es vorteilhaft, die Spannung der
Elektroden gegenüber dem Bad möglichst nahe am Lichtbogen abzugreifen, wozu der
Meßspannungsabgriff einerseits am Elektrodengefäß und andererseits jeweils am einzelnen
Elektrodenhalter erfolgen kann. Die Meßleitungen von den Elektrodenhaltern zu den
Spannungswandlern werden dann vorteilhaft auf den Elektrodentragarmen so verlegt,
daß sich ein möglichst großer Abstand von den Hochstronfeitungen ergibt, um Meßfehler
durch Einstreuungen auf ein Minimum zu begrenzen. Je genauer die Lichtbogenimpedanz
durch die Elektrodenregelung in allen drei Phasen auf gleiche Werte geregelt wird
und je genauer zur Symmetrieregelung gemäß der Erfindung die drei Elektrodenströme
auf gleiche Größe eingeregelt werden, um so genauer stimmen die Leistungsumsätze
in den drei Lichtbögen überein.