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Elektrischer Hochleistungsreduktionsofen Die Erfindung betrifft einen
elektrischen Drehstromreduktionsofen. Es ist bekannt, eine ganze Reihe von Stoffumsetzungen,
welche zur Erzielung der hierfür erforderlichen hohen Temperatur relativ große Energiemengen
benötigen, in derartigen elektrischen Öfen durchzuführen, insbesondere jedoch dann,
wenn elektrische Energie in ausreichender Menge und zu einem Preis zur Verfügung
steht, der die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sicherstellt.
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Zur übermittlung der elektrischen Energie in die Beschickung des Reaktionsgefäßes,
also des Ofengefäßes, zur Durchführung des Prozesses sowie eventuell zum Schmelzen
der Komponenten dienen Elektroden aus Kohle, und zwar entweder selbstbackende Elektroden
(Söderberg-Elektroden) oder bereits vorgebrannte Fertigelektroden. In besonderen
Fällen finden auch Graphitelektroden Anwendung.
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Man bevorzugt insbesondere bei Öfen großer Leistung niedrigere Stromspannungen,
weil der Ofenbetrieb ruhiger verläuft und die Elektroden leichter tief im Möller
zu halten sind. Die Höhe der umzusetzenden elektrischen Leistung läßt die Wahl einer
niedrigen Spannung in vielen Fällen nicht zu, weil bei gleichbleibender oder steigender
Stromstärke und absinkender Spannung der Blindleistungsbedarf des Ofens ansteigt
und so groß werden kann, daß der Leistungsfaktor den konstruktiv bedingten optimalen
Wert des Ofens, der meist etwa bei 0,78 liegt, unterschreitet. Jeder Spannung zuzuordnen
ist eine optimale Stromstärke, die gleichzeitig dem Maximum der im Ofen umzusetzenden
Nutzleistung entspricht. Wird diese Stromstärke überschritten, so sinkt die Nutzleistung,
während Blindleistung und Ohmsche Verlustleistung ansteigen.
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Die Wirkleistung bleibt bei steigender Stromstärke zunächst konstant
oder steigt um einen geringen Betrag, um dann bei weiterer Erhöhung der Stromstärke
abzusinken.
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So entspricht z. B. einer Betriebsspannung von 100 V in einem Ofen
moderner Konstruktion eine optimale Stromstärke etwa von 42 00'0 A entsprechend
einer Wirkleistung von etwa 6250 kW und einer Nutzleistung von etwa 4600 kW. Bei
200 V betragen die entsprechenden Werte 85 000 A bzw. 25 00'0 bzw. 18 000 kW.
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Für einen Prozeß, der im Hinblick auf die Leitfähigkeit der Beschickung
keine höhere Spannung als beispielsweise 200 V verträgt, kann man also die Stromstärke
nicht über 85 000 A steigern. Dies bedeutet, daß man sich mit einer maximalen Herdleistung
von etwa 18 000 kW begnügen muß. Aber auch dann ist der Blindleistungsbedarf (im
vorliegenden Fall etwa 17 500 kVA) noch reichlich hoch und muß gegebenenfalls über
eine. teure Kondensatoren batterie auf der Hochspannungsseite gedeckt werden, insbesondere
dann, wenn das Kraftwerk einen bestimmten Leistungsfaktor vorschreibt oder - was
vielfach der Fall ist - den Strompreis höher setzt, wenn ein bestimmter Blindleistungsbedarf
überschritten wird.
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Die immer stärker werdende Nachfrage nach Öfen großer Leistung hat
bereits zu Ofenkonstruktionen geführt, die von der traditionellen runden Form mit
symmetrisch angeordneten Elektroden abweichen. Diese langgestreckten Öfen mit einer
Vielzahl von Elektroden gestatten zwar praktisch beliebig große Leistungen unterzubringen,
beanspruchen aber wiederum mehr Platz, der nicht immer zur Verfügung steht.
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Ein weiterer Nachteil dieser Großraumöfen besteht darin, daß man bei
ihrem Betrieb auf die hohe Energiekonzentration, wie dies innerhalb des zentral
gelegenen Herdes des Rundofens der Fall ist, verzichten muß und auch kein Drehwerk
für das Ofengefäß Anwendung finden kann. Da ferner noch berücksichtigt werden muß,
daß auch bei diesen Öfen mit auf mehrere Elektrodensysteme aufgeteilter Energiezufuhr
ein gewisser Blindleistungsbedarf gedeckt werden muß, ergeben sich gegenüber den
herkömmlichen Rundöfen trotz größeren Aufwandes häufig keine wesentlichen Vorteile.
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Aus der Literatur ist bekannt, bei elektrischen Öfen die Blindleistung
dadurch zu verringern, daß man mit einer niedrigeren Frequenz arbeitet, als sie
normalerweise in den Versorgungsnetzen zur Verfügung steht (in Europa 50 Hz, in
Amerika 60 Hz). Die Reduzierung der Frequenz beeinflußt unmittelbar die Blindleistung
nach der Beziehung Nb = 12-21rf-L, wobei L die konstruktiv bedingte und demgemäß
als Ofenkonstante zu betrachtende Induktivität ist.
Bei gleichbleibender
Stromstärke sinkt die Blindleistung also beispielsweise auf den fünfzigsten Teil
des Betrages ab, wenn der Oien statt mit einer Frequenz von 50 Hz mit einer solchen
von 1 Hz gespeist wird. In entsprechender Weise steigen die Werte für den Leistungsfaktor
für die optimale Nutzleistung und für den Wirkungsgrad.
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Allerdings blieben diese Erkenntnisse bis heute ohne praktische Bedeutung,
da zur Umrichtung des Netzwechselstromes entweder Motorengen.eratoren oder gittergesteuerte
Quecksilberdampfgleichrichter erforderlich sind, und zwar mit Rücksicht auf die
Arbeitsweise und den Wirkungsgrad auf der Hochspannungsseite. Neben den sehr erheblichen
Kosten für die Umrichtung selbst würde jedoch eine derartige Maßnahme unwirtschaftlich
hohe Aufwendungen für die Transformatoren erfordern, wenn diese für Ströme extrem
niedriger Frequenz ausgelegt werden müssen.
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Hier setzt nun die Erfindung ein und zeigt eine außerordentlich vorteilhafte
und technisch einfache Lösung der Aufgabe, die Blindleistung solcher Öfen ganz erheblich
durch niederspannungsseitige Frequenzwandlung herabzusetzen. Sie besteht bei einem
Drehstromreduktionsofen mit in die Beschickung einragenden, über einen Ofentransformator
gespeisten Graphit-, Kohle- oder Söderberg-Elektroden, der zur Erniedrigung der
Blindleistung mit gegenüber der Netzfrequenz herabgesetzter Frequenz betrieben wird,
darin, daß zur Frequenzerniedrigung ein in seiner Ausgangsfrequenz stetig veränderbarer,
mit steuerbaren Silizium- oder ähnlichen Halbleiterelementen, z. B. Vierschichtentrioden
aufgebauter Frequenzumsetzer verwendet ist, der in die Hochstromsekundärseite zwischen
Ofentransformator und Hochstromelektrodenzuleitung eingefügt ist.
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Es ist an sich bekannt, mit Netzfrequenz gespeiste Stromversorgungseinrichtungen
mittels Halbleitertrioden auf andere Frequenzen umzusetzen. So ist beispielsweise
zur Drehzahlsteuerung von Drehstromkurzschlußläufermotoren ein Frequenzwandler unter
Verwendung von in Drehstrombrückenschaltung angeordneten, von einer Gleichstromquelle
gespeisten Transistoren in Verbindung mit einem Impulsgenerator vorgeschlagen worden,
bei dem jedem Brückenzweig ein aus zwei NPNJPNP-Dreischichttrioden gebildeter bistabiler
Kippkreis zugeordnet ist.
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Die bekanntgewordenen Schaltungen dieser Art haben vielfache Anwendungsgebiete
gefunden, beispielsweise zur Steuerung von Antrieben, von galvanischen bzw. elektrolytischen
Anlagen, zur Energiedosierung in der Widerstandsschweißtechnik, weiterhin in der
Schweißtechnik als stationaler Frequenzumformer.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß nunmehr die Verwirklichung
der in der Literatur bereits geäußerten Gedanken bei Drehstromreduktionsöfen durch
die Benutzung von steuerbaren Silizium- oder ähnlichen Halbleiterelementen zur niederspannungsseitigen
Frequenzherabsetzung ermöglicht wird, wo es auf diese Weise gelingt, größte Leistungen
nahezu verlustlos niederfrequent und somit blindleistungsarm den Elektroden zuzuführen.
Damit wird diesen Halbleiterelementen das neue, bisher nicht bekannte Anwendungsgebiet
der Reduktionsöfen erschlossen, wo jetzt Öfen größerer Leistung mit niedriger Spannung
betrieben werden können. Dadurch können spannungsempfindliche Prozesse, z. B. die
Herstellung von Ferromangan oder Ferrosilizium in wesentlich größeren und damit
wirtschaftlichen Ofeneinheiten durchgeführt werden als bisher.
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In der Zeichnung ist in schematischer Darstellung die Anordnung des
gesamten Systems mit Ofentransformator 1, Umrichter 2, Elektroofen 3 sowie Lüfter
4 für den Umrichter 2 gezeigt. Der bei Verwendung dieser Halbleitergleichrichterelemente
auftretende geringe Spannungsabfall von etwa 1 V gewährleistet auch im Bereich niedriger
Spannungen, beispielsweise von etwa 100 V, einen außergewöhnlich guten Wirkungsgrad.
Die erforderliche Steuerleistung ist gering; sie wird für das gesamte Umrichteraggregat,
welches die erforderliche Anzahl Vierschichtengleichrichterelemente in Parallelschaltung
enthält, von einem kleinen Generator aufgebracht. Das Umrichtersystem samt Steuer-
und Kühleinrichtung wird im z. B. Transformatorenraum neben dem Ofentransformator
aufgestellt und unmittelbar mit den Sekundärklemmen verbunden. Der Ausgang des Systems
ist mit der Hochstromleitung des Ofens gekoppelt, die sich in Ausführung und Schaltung
nicht von den allgemein üblichen Formen unterscheidet. Mit Hilfe der Steuereinrichtung
kann die Frequenz beliebig bis herunter zu etwa 1 Hz geregelt werden.
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Die Vorteile der beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung sind: 1.
Reduzierung der Netzfrequenz auf der Sekundärseite des Transformators auf beliebig
niedrige Werte, als Folge davon Absinken des Blindleistungsbedarfs auf einen geringfügigen
Restwert.
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z. Beibehaltung der bewährten Form des symmetrischen Drehstromofens.
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3. Höherer Leistungsfaktor, infolgedessen Wirkleistung nur unwesentlich
kleiner als Scheinleistung. Günstiger Stromtarif, erhöhte Ofenleistung ohne Vergrößerung
der Transformatorleistung. Fortfall von Phasenschieberkondensatoren.
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4. Bessere Ausnutzung der Elektroden, da infolge der Frequenzreduzierung
der Skineffekt vernachlässigt werden kann. Gleichmäßigere Ouerschnittbelastung der
Elektroden ergibt höhere Gesamtbelastbarkeit. Bei Hochleistungsöfen ist ferner die
Verwendung von Graphitelektroden oder sogenannten Hartgraphitelektroden (amorphe
Kohleelektroden höherer Belastbarkeit) empfehlenswert, weil dadurch der Durchmesser
und damit das Gewicht der Elektroden verkleinert wird. Das bedeutet eine Verbilligung
der Halte- und Nachsatzkonstruktion für die Elektroden.
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5. Geringere elektrische Verluste in der Ofenkonstruktion beim Arbeiten
mit niederfrequenten Wechselfeldern; Tragzylinderunterteile und Fassungsringe können
aus normalem Stahl gefertigt werden.