DE1207029B - Schalteinrichtung zur Regelung der Wirkleistung eines einphasig angeschlossenen wesentlich induktiven Verbrauchers, der zur Induktionserwaermung dient - Google Patents

Description

• Schalteinrichtung zur Regelung der Wirkleistung eines einphasig angeschlossenen wesentlich induktiven Verbrauchers, der zur Induktionserwärmung dient Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur Regelung der Wirkleistung eines einphasig angeschlossenen, wesentlich induktiven Verbrauchers, der zur Induktionserwärmung dient und der mittels Kondensatoren kompensiert ist. Zur Kompensation der Blindkomponente ist eine Schaltung bekannt nüt einer variierbaren Kapazität parallel zum Verbraucher (Öfen) und mit variierbaren Serienkapazitäten.
• Die Leistung wird nach dem Stande der Technik durch einen Regeltransfonnator geregelt, der dem mittels Parallelkondensatoren voll auskompensierten Verbraucher vorgeschaltet ist. Der Nachteil dieser bekannten Einrichtung liegt in dem erheblichen Aufwand, den ein Regeltransformator bedingt, der zudem für eine feinstufige Regelung wegen des Erfordernisses sehr vieler Regelkontakte und Wicklungsanzapfungen, die sich praktisch nicht verwirklichen lassen, wenig geeignet ist.
• Ein älterer Vorschlag geht darauf aus, mit Hilfe einer Veränderung der für die Kompensation und die Symmetrierung der Last am Dreiphasennetz vorhandenen Blindwiderstände eine Regelung der Leistung zu ermöglichen. Dies unter Anwendung der Sternschaltung von kompensiertem Verbraucher und Symmetrierungselementen als Schaltungskombination. Damit ist zwar eine Leistungsänderung ermöglicht, jedoch ändern sich dabei unerwünschterweise auch der Leistungsfaktor und die Symmetrierung.
• Für Induktionsöfen am Dreiphasennetz z. B. besteht die Forderung nach drei gesonderten Regelungen, nämlich für die Leistung, den Leistungsfaktor und die Symmetrierung, die sich gegenseitig nicht beeinflussen dürfen. Erleidet nun mit einer Veränderung der Leistung auch der Leistungsfaktor eine Änderung, muß diese wiederum mit Hilfe der Veränderung eines Blindwiderstandes beseitigt werden. Da sich damit aber wieder die gewonnene, erwünschte Leistungseinstellung verschiebt, ist es also unter Beachtung der drei gegebenen Regelkreise faktisch unmöglich, die Leistung zu regeln.
• DieErfindung erledigt die Leistungsregelung dennoch mit Hilfe der Veränderung von Blindwiderständen, erfindungsgemäß durch eine besondere Schaltungskombination, bei der ein Serienkondensator mit dem kapazitiven Widerstand im Betrag von » und ein direkt am Netz liegender Blindwiderstand mit dem Absolutwert y, durch die Beziehung miteinander verknüpft sind, wobei 2h ungefähr absolut gleich dem Parallelresonanzwiderstand des Verbrauchers, vorzugsweise kleiner ist, ferner gekennzeichnet durch zusätzliche, schaltbare Parallelkondensatoren, die zwecks Regelung der Wirkleistung, vorzugsweise bis Halblast, bei praktisch gleichbleibendem Leistungsfaktor vorgesehen sind.
• Das Prinzipschaltbild der neuen Schaltungskombination ist in B i 1 d 1 wiedergegeben. Das Diagramm der Wechselstromwiderstände in B i 1 d 2 dient zur Erklärung der Wirkungsweise.
• ,9, ist der komplexeWiderstand des Verbrauchers mit der Wirkkomponente r und der Reaktanz x. Mit yp ist der kapazitive, in kleinen Stufen schaltbare Widerstand der Parallelkondensatoren bezeichnet, mit y, deijenige des Serienkondensators und mit y,. der direkt am Netz liegende Blindwiderstand, der kapazitiv ist bei positivem und induktiv bei negativem y,#.
• Nach der Ortskurventheorie ist die Ortskurve für die resultierenden Widerstände der Parallelschaltung von Parallelkondensatoren (yp) mit dem Verbraucherwiderstand.9, der Kreis K. Im Ausführungsbeispiel ist der besagte resultierende Widerstand für den Fall des Betriebszustandes bei Nennlast durch den Zeiger jK--A in B i 1 d 2 vertreten. U-o-, ist der Widerstandszeiger des vorgeschalteten Serienkondensators (ys). Ohne den direkt am Netz liegenden Blindwiderstand ergibt sich somit der Gesamtwiderstand .9 mit dem Zeiger Zi-A .
• Werden nun Parallelkondensatoren zugeschaltet, dann wandert der Arbeitspunkt -4 am Kreis K nach A, und der Zeiger des Gesamtwiderstandes ändert sich von D-A zu UA--;. Er wird größer und erfährt dabei eine Verdrehung seiner Phasenlage. Das heißt, die vom spannungskonstanten Netz abgegebene Leistung verringert sich wunschgemäß, jedoch verändert sich hierbei der Leistungsfaktor, welches Verhalten für eine Leistungsregelung ungeeignet ist.
• Im Zusammenwirken mit dem direkt am Netz liegenden Blindwiderstand ist aber ein gleichbleibender Leistungsfaktor im Zuge einer weitgehenden Leistungsregelung erreicht.
• Der besagte Effekt läßt sich wie folgt aus dem Widerstandsdiagramm nach B i 1 d 2 erklären: Zu den variablen WideAtänden mit den Zeigern Zi-A bis UA--, ist der direkt am Netz liegende Blindwiderstand yz, der für das Ausführungsbeispiel kapazitiv sein muß, parallel geschaltet. Als Analysisfigur für die graphische Zeigeroperation, einen beliebigen festen Widerstand R, mit den variablen 34 einer kreisförmigen Ortskurve parallel zu schalten, dient das Diagramm in B i 1 d 3.
• Es gilt die folgende Konstruktionsanweisung: Die Zeiger der resultierenden Widerstände besitzen denselben Kreis K als Ortskurve, jedoch bezüglich eines anderen Ursprunges 0'. Dieser findet sich durch eine Verschiebung des ursprunglichen Ursprunges 0 entgegen der Zeigerrichtung des festen Widerstandes 9,.. Die Strecke Uo- errechnet sich aus der Potenz P des Punktes 0 in bezug auf den Kreis K, die gleich dem Quadrat des Tangentenstückes t ist, und dem Absolutwert des festen Widerstandes IN,1 nach der Beziehung Die Zeigerspitze des resultierenden Widerstandes K für die Parallelschaltung des festen Widerstandes N, mit einem bestimmten Widerstand,9, dessen Spitze im Punkt A am Kreis K liegt, findet sich, indem dieser Punkt in der Richtung des Zeigers 192 von der einen Seite des Kreises auf die andere nach dem Punkt S umgeschlagen und sodann in der Richtung nach dem neuen Ursprung 0' zurückgeschlagen wird, womit der Ortskurvenpunkt A' für den Zeiger des resultierenden Widerstandes N gefunden wird. Die richtige Länge des Zeigers ist jedoch D7A-, - wobei P' die Potenz des Punktes 0' in bezug auf den Kreis K bedeutet.
• Die vorbeschriebene allgemeine Konstruktion ist im Diagramm nach B i 1 d 2 für die Parallelschaltung des kapazitiven Widerstandes y, mit den von .9 bis N, sich ändernden Widerständen mit von 0 ausgehenden Zeigern angewendet. Dabei ist y"2 die Ausgangspotenz und h2 die P6tenz des neuen Ursprunges 0'. Die Ursprungsverschiebung errechnet sich aus der Beziehung Der Gesamtwiderstand, der am Netz liegt, ändert sich von N' bis R.,, wobei die Zeigerspitze von A' am Kreis K nach A,' wandert. Die im Diagramm ermittelten Zeiger b7,4-, bis D7-A7, sind mit dem Faktor Y82 zu multiplizieren, damit sich die maßstabh2 getreuen Widerstandsgrößen ergeben.
• Das Diagramm weist aus, daß der Gesamtwiderstand N' nach einer Änderung auf den doppelt so großen Widerstand W,, diedurch zugeschaltete Parallelkondensatoren bewirkt worden ist, dieselbe Zeigerrichtung besitzt. Anders gesagt, hat sich durch die Regelung der Leistung bis auf Halblast der Leistungsfaktor nicht geändert. Wohl schwankt dieser ein wenig im Zuge der Leistungsregulierung. Im Ausführungsbeispiel geht er von 1 aus und durchläuft ein Minimum von 0,998, um bei Halblast wieder den Wert 1 zu erreichen. Der Leistungsfaktor schwankt trotz der weitgehenden Leistungsregelung nur um 2 0/0 vom Sollwert, welche Nebenerscheinung für die Praxis vollkommen belanglos ist.
• Der erschlossene Erfolg, eine Leistungsregelung ohne Beeinflussung des Leistungsfaktors, wurzelt in der Lage des Ursprungs 0', die durch die Länge h ausgedrückt ist. Wird der Leistungsfaktor 1 verlangt, dann soll h ungefähr gleich dem Radius des Kreises K, d. h. dem halben Parallelresonanzwiderstand des Verbrauchers sein, günstigerweise ein wenig kleiner.
• Die Erfindung ist für beliebige Auslegungen des Serienkondensators mit dem kapazitiven Widerstand y" anwendbar. Je nach der Größe von ys bestimmt sich eine andere La g-e des Ursprunges 0 relativ zum Kreis K. Aus dieser folgt aber das Verhältnis zwischen der Ofen- und der Netzspannung. Für diese ist die Strecke jK--A ein Maß und für jene Ö,4. Im Ausführungsbeispiel liegt dieses Verhältnis bei 2,9. Für ein erwünschtes kleineres Verhältnis muß y" relativ zum Parallelresonanzwiderstand des Verbrauchers (Kreisdurchmesser) größer sein. Selbstfür das Verhältnis OKA: OA = 1, a. h. für gleich hohe Ofen- und Netzspannung, wie dies gemäß dem Diagramm in B i 1 d 4 zutrifft, ist die Leistungsregelung bei gleichbleibendem Leistungsfaktor ermöglicht, wobei jedoch ein induktiver Blindwiderstand x" direkt am Netz liegen muß.
• Die Schaltungskombination nach B i 1 d 1 gestattet also neben der Leistungsregelung über einen großen Bereich bei gleichbleibendem Leistungsfaktor, unabhängig von dieser, eine freie Auswahl der Ofenspannung relativ zur Netzspannung.
• Ändert sich der Parallelresonanzwiderstand des Verbrauchers, was bei Induktionsöfen zum Schmelzen beim Nachchargieren vorkommt, dann sind der kapazitive Widerstand y, des Serienkondensators und der Blindwiderstand y, (fallweise x" = - yg) grundsätzlich in gleichem Maße zu verändern, damit wieder bezüglich des neuen Kreisdiagramms proportionale Verhältnisse hergestellt werden und damit auch der Leistungsfaktor eingeregelt wird. Wenn y, nicht sehr groß ist gegenüber y", ist es notwendig, neben dem Serienkondensator auch den direkt am Netz liegenden Blindwiderstand mit Schaltstufen auszurüsten, zweckmäßigerweise mit zu denen des Serienkondensators proportionalen, mit welchen sie gleichzeitig zu schalten sind. Damit sind h und y" laut Diagramm in B i 1 d 2 unter Wahrung des gegenseitigen Verhältnisses veränderbar, um verschieden großen OrtskurvenkreisenK, dem Diagramm in B i 1 d 2 entsprechend, angepaßt zu werden.
• Wenn y, nahezu gleich h angenommen ist, fällt y# sehr groß aus. Dann ist es nicht nötig, den direkt am Netz liegenden Blindwiderstand schaltbar zu machen. Für ein verändertes Kreisdiagramm wird dann nur der Serienkondensator nachgestellt. Dann gelangt der Ursprung 0' nicht mehr genau in die günstigste Lage gemäß B i 1 d 2, oder aber der Regelbereich von A' bis A,' verschiebt sich etwas auf der Kuppe des Kreises K. Unter Umständen, wenn 0 und 0' im Diagramm nach B i 1 d 2 sehr eng beieinanderliegen, kann der Kondensator bzw. die Drossel direkt am Netz entfallen, so daß dort der Blindwiderstand y" oo liegt. Alle Schaltstufen, insbesondere die der Parallelkondensatoren, die zur feinstufige4 Regelung der Leistung dienen, sind vorteilhafterweise durch Schalteinheiten im Verhältnis 1 : 2: 4: 8 ... erstellt, wodurch die Feinstufigkeit mit geringstem Kostenaufwand erreicht wird.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Schalteinrichtung zur Regelung der Wirkleistung eines einphasig angeschlossenen, wesentlich induktiven Verbrauchers, der zur Induktionserwärmung dient, der mit einem Serien- und gegebenenfalls mit einem Parallelkondensator kompensiert ist, die gegebenenfalls variierbar sind, und der, von einem spannungskonstanten Netz gespeist, zur Induktionserwärmung dient, mit Hilfe der Veränderung von Blindwiderständen, g e k e n n - zeichnet durchdieBeziehung die den kapazitiven Widerstand des Serienkondensators im Betrage von y, mit dem Absolutwert yz eines direkt am Netz liegenden Blindwiderstandes verknüpft, wobei 2h ungefähr absolut gleich dem Parallelresonanzwiderstand des Verbrauchers, vorzugsweise kleiner ist, ferner durch zusätzliche, schaltbare Parallelkondensatoren, die zwecks Regelung der Wirkleistung, vorzugsweise bis Halblast, bei praktisch gleichbleibendem Leistungsfaktor vorgesehen sind.
2. 2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der direkt am Netz liegende Blindwiderstand in Stufen schaltbar ausgeführt ist. 3. Schalteinrichtung nach Ansprach2, dadurch gekennzeichnet, daß proportionale Schaltstufen des Serienkondensators und des am Netz liegenden Blindwiderstandesbedienungsmäßiggekoppelt sind.
3. In Betracht gezogene Druckschriften: »Elektrowärme-Technikt, Dezember 1953, S. 133, 134 und 135; »Elektrotechnische Zeitschrift«, Mai 1944, Heft19/20, Bild 4 auf S. 186.