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Anordnung zur automatischen und stetigen Kompensation des Induktorblindstromes
in Mittelfrequenz-Induktionserwärmungsanlagen Die im folgenden näher beschriebene
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum automatischen Abgleich eines Parallelschwingkreises
bzw. zur stetigen Kompensation des sich ändernden resultierenden Blindstromes eines
Parallelschwingkreises in einer Induktionserwärmungsanlage durch einen steuerbaren
Blindstromverbraucher.
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Eine derartige Anlage setzt sich grundsätzlich aus einem Generator
und einem Parallelschwingkreis zusammen. Der Parallelschwingkreis besteht aus dem
Induktor und der Kondensatorbatterie. Die Ströme im Parallelschwingkreis sind um
ein Vielfaches größer als der Generatorstrom auf den Zuleitungen zum Schwingkreis.
Der Induktorstrom ändert sich im Zuge des Erwärmungsprozesses des im Induktor befindlichen
Materials mitunter sehr rasch. Er muß ebenso schnell kompensiert werden, um den
Generator weder strommäßig (thermisch) noch spannungsmäßig (durch Spannungsüberhöhung
bei Serienresonanz zwischen Generatorinduktivität und resultierender Schwingkreiskapazität)
zu überlasten. Der Abgleich des Parallelschwingkreises ist ferner erforderlich,
um eine optimale Wirkleistungsaufnahme des Induktors zu gewährleisten.
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Früher wurde der Parallelschwingkreis von Hand durch Zu- und Abschalten
von Kondensatoren abgestimmt. Im Laufe der Entwicklung übernahm diese Aufgabe ein
elektromechanischer Blindstromregler, der als Regelgröße den Blindstrom I
- sin 99 auf den Zuleitungen erfaßte. In letzter Zeit ist ein weiteres Prinzip
bekanntgew,orden, das aber aus regeltechnischen Gründen nicht zum Erfolg führte.
Danach wurde parallel zum Induktor eine feste Kapazität verschaltet, die so gewählt
war, daß sie den maximalen Induktorblindstrom kompensieren konnte. Parallel zum
Induktor und zu dieser Kapazität lag zusätzlich ein stromsteuernder Transduktor,
der über einen I - sin T-Meßwertumformer und einen Verstärker so ausgesteuert
werden sollte, daß der Blindstrom auf den Zuleitunggen verschwand. Der Induktorstrom
war dabei im wesentlichen induktiv.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung liegen ebenfalls der Induktor, eine
fest verschaltete Kapazität und ein stromsteuernder Transduktor einander parallel.
Der stromsteuernde Transduktor, der hier als steuerbare Induktivität aufgefaßt werden
kann, wird aber gemäß der Erfindung nicht vom Blindstrom I - sin 99
auf den Zuleitungen ausgesteuert, sondern von der Differenz der Kondensator- und
Induktorströme. Die Kondensatorbatterie bzw. die Kapazität C wird dabei stets
so gewählt, daß der Induktorstrom IC immer gleich oder größer als der Induktorstrom
IL ist.
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Die Hauptmerkmale dieser neuen Anordnung sind darin zu sehen, daß
ein an sich bekannter, mit Gleichstrom vortnagnetisierter, stromsteuernder Transduktor
mit seiner sehr niederohmig ausgeführten Arbeitswicklung der Stromquelle bzw. dem
Schwingkreis parallel liegt und daß seine Steuerwicklung über einen Magnetverstärker
am Ausgang einer Stromdifferenzschaltung angeschlossen ist, deren Eingänge von
je zwei Stromwandlerkaskaden gespeist werden, die im kapazitiven bzw. induktiven
Zweig des Schwingkreises liegen. Mitentscheidend für die Funktion dieser Anordnung
ist eine Zenerdiode, die so zwischen den beiden positiven Ausgangsleitungen der
Differenzschaltung liegt, daß sie einmal den Magnetverstärker und die Regeldrossel
vor überlast schützt, zum anderen aber auch in ihrer Durchlaßrichtung ein Aussteuern
des Transduktors bei überwiegendem Induktorblindstrom verhindert. Weiterhin dienen
je ein in den beiden positiven Steuerleitungen liegender Widerstand zur einmaligen
Einstellung der maximal zulässigen Steuerströme.
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F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild derartiger Anlagen. An
den Mittelfrequenzgenerator 1 sind über die Zuleitungen 2 und 3 der
stromsteuernde Transduktor 4, der Kondensator 5 und die Induktorwicklung
6 parallel zueinander angeschlossen. Der Kondensator 5 ist dabei so
dimensioniert, daß er den maximal auftretenden Induktorstrom kompensieren kann.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in F i g. 2 dargestellt.
Außer den Hauptbauelementen, die bereits zu F i g. 1 genannt wurden, sind
noch der Magnetverstärker 7, die Gleichrichterbrücke 8, die Stromwandlerkaskaden
9, 10 und 11, 12 und die
ihnen nachgeschaltete Stromdifferenzschaltung
13
vorhanden. Die bereits weiter oben erwähnte Zenerdiode 14 liegt zwischen
den positiven Leitungen 15
und 16, die von der Differenzschaltung
13 zum Magnetverstärker 7 führen. In diesen Leitungen liegen auch
die beiden Einstellwiderstände 17 und 18 sowie die Glättungskondensatoren
19 und 20. Der Kondensator 21 dient ebenfalls zur Glättung.
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Diese Anordnung arbeitet nun folgendermaßen. Grundsätzlich liegt die
Kapazität 5 parallel zum Induktor 6; sie ist so groß, daß bei maximalem
Induktorstrom zwischen Induktor und Kapazität Resonanz herrscht. Wird der Induktorstrom
IL zu irgendeinem Zeitpunkt kleiner als der Kondensatorstrom Ic, so wird von der
Differenz i Ic! = 1 IL! die Regeldrossel 4 so ausgesteuert, daß die
Gleichung J Ic IL 1 + ID i
erfüllt ist. Dabei ist ID
der induktive Blindstrom de# Regeldrossel. Die Gleichrichtung der ScheinströmeIc
und IL erfolgt in der Schaltungsanordnung 13, die aus den Stromwandlerkaskaden
9, 10 und 11, 12 gespeist wird. Die Stromwandlerkaskaden transformieren
die jeweiligen Scheinströme IL und Ic auf niedrige und für die Gleichrichtung Diffterenzstrombildung
und Steuerung des Magnetverstärkers günstige Werte herunter. Es entstehen also Gleichströme,
deren Beträge den Scheinströmen IC und IL proportional sind. Diese auf der
Steuerseite des Magnetverstärkers 7 einander entgegengerichteten Gleichströme
steuern den Magnetverstärker 7 proportional ihrer Differenz aus. In bekannter
Weise verstärkt dieser den Differenzstrom und bewirkt einen proportionalen Wechselstrom
in der Arbeitswicklung. Ein mit dem Magnetverstärker 7 in Reihe geschalteter
Brückengleichrichter 8 richtet den Wechselstrom zur Steuerung der Regeldrossel
4 gleich.
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Dadurch, daß in MF-Parallelschwingkreisen der induktive Blindstrom
je nach der Anlage 4- bis 20mal größer als der Wirkstrom des Induktors ist
und der Wirkstromvektor senkrecht zum Blindstromvektor steht, kann die Gleichung
1 IC 1 = J IL 1 +
1 ID 1
mit h;nreichender Genauigkeit als Resonanzbedindung
für den Parallelschwingkreis angesehen werden. Dabei ist es wichtig, daß durch die
Differenzschaltung gleichgerichtete Größen, also Stromabsolutwerte, miteinander
verglichen werden. Es darf keine geometrische Differenz gebildet werden. Ist beispielsweise
der Blindstromvektor1B des InduktorstromesIL nur 5mal so groß wie sein Wirkstrom
Iw, so ist der Scheinstrom oder Absolutverlust von IL nur um etwa 2% größer als
der BlindstromI,6. Selbst in diesem Fall wird auf den Zuleitungen 2 und
3 zum Schwingkreis immer noch ein cos 99 = 0,99 gewährleistet.
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Von besonderer Bedeutung für den Funktionsablauf dieser stufenlosen
Kompensationsanordnung sind die Zenerdiode 14 und die beiden Widerstände
17 und 18. Diese Bauelemente erfüllen dabei folgende zwei Aufgaben:
die Zenerdiode 14 schützt die Steuerwicklungen des Magnetverstärkers 7 und
der Regeldrossel 4 sowie die Gleichrichteranordnung 8 vor überlastungen.
Ein derartiger Schutz ist erforderlich, weil die Regeldrossel 4 und der Magnetverstärker
7 üblicherweise aus Kostenersparnisgründen knapp ausgelegt werden und demzufolge
gegen starke Überlastungen empfindlich sind. Bei stark überwiegendem Kondensatorstrom
Ic bzw. bei zu hohem Differenzstrom Ic - IL, fließt der nicht mehr
zulässige Differenzstrom über die Diode 14 in Zenerspannungsrichtung, so daß die
Steuerwicklungen des Magnetverstärkers 7 und der Regeldrossel 4 nur bis zu
dem maximal zulässigen Strom belastet werden. Dieser maximal zulässiae Strom wird
durch die Widerstände 17 und 18 eingestellt.
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überwiegt der Induktorstrom IL, sei es durch Kurzschluß einiger lildul-.torwindungen
oder durch den Ausfall des Kondensators 5, so würden der Magnetverstärker
7 und die Regeldrossel 4 fälschlicherweise ausgesteuert werden. Diese Möglichkeit
zu unterbinden, ist die zweite sehr wesentliche Aufgabe der Zenerdiode 14. Wenn
der dem Induktorstrom proportionale Gleichstrom auf der Leitung 16
größer
wird als der dem Kondensatorstrom proportionale Gleichstrom auf der Leitung
15, so wird die Differenz der Gleichströme in Zenerdiodendurchlaßrichtuno,
praktisch kurzgeschlossen. Der Magnetverstärker 7 und die Drossel 4 können
also von einem überwiegenden Induktorscheinstrom nicht ausgesteuert werden.