DE1801027C - Regelanordnung zur Abstimmung eines Parallelschwingkreises - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung zur Abstimmung eines Parallelschwingkreises, insbesondere einer Induktionserwärmungsanlage, mit zu- und abschaltbaren Kondensatoren, bei der eine dem Blindstrom in der Zuleitung zum Parallelschwingkreis proportionale Ausgangsgleichspannung eines Meßwertumformers einem Steuergerät für die meßwertabhängige Kondensatorumschaltung zugeführt ist.

In verschiedenen elektrischen Anlagen treten nämlieh infoige der Eigenart des jeweiligen Arbeitsprozesses induktive oder kapazitive Blindströme auf, deren Betrag sich relativ schnell und laufend ändert. Dies ist beispielsweise bei Induktionserwärmungsanlagen der Fall, bei denen sich das Schmelzgut im Innern einer von Wechselstrom durchflossenen Wicklung befindet.

Eine Induktionserwärmungsanlage setzt sich grundsätzlich aus einem Generator und einem Parallelschwingkrsis zusammen. Der Parallelschwingkreis besteht aus einem Induktor und einer Kondensatorbatterie. Die Ströme im Parallelschwingkreis sind je nach Einsatzfafi" der Induktionserwärmungsanlage etwa 4- bis 20mal größer als der Generatorstrom. Der Induktorstrom ändert sich im Zuge des Erwärmungsprozesses mitunter sehr rasch, insbesondere bei Erreichen des Curie-Punktes von ferromagnetischen Materialien. Um der Generitor nicht zu überlasten und um eine optimale Leistungsaufnahme des Induktors zu gewährleisten, muß dei induktive Anteil des Induktorstromes durch Parallelkondensatoren stets und rasch kompensiert werden. Dabei ist in den meisten Einsatzfällen von Induktionserwärmungsanlagen besonders darauf zu achten, daß der Parallelschwingkreis in seiner resultierenden Blindkomponente nicht über ein gewisses Maß hinaus kapazitiv wird. Erreicht nämlich der resultierende kapazitive Blindwiderstand des Parallelschwingkreises die Größe des induktiven Generatorblindwiderstandes, so stellt sich Serienresonanz und mit ihr eine Spannungs-Überhöhung sowohl am Generator als auch am Parallelschwingkreis ein, die den Generator, die Kondensatoren und den Induktor durch Spannungsüberschlag gefährdet. Gegen diese Gefahr setzt man zwar Uberspannungs- und Uberstromrelais ein, die bei Gefahr die Induktionsanlage außer Betrieb setzen. Derartige Unterbrechungen des häufig automatisierten Fertigungsablaufes sind aber sehr kostspielig.

Es ist also ganz allgemein erforderlich, eine möglichst optimale Abstimmung des Parallelschwingkreises zu erzielen. Bisher erfolgte die Abstimmung durch Zu- und Abschatten von Kondensatoren über Schaltschütze von Hand (deutsche Patentschrift 726 975), halbautomatisch (deutsche Patentanmeldung A 8699 vom 21. S. 1953) oder automatisch mit ss Hilfe von Blindstromreglem in Abhängigkeit vom Blindstrom / · sin φ auf der Zuleitung zum Parallel* Schwingkreis (deutsche AustegeschrOten 1 171 984, 1 181 790, 1 241 90S, deutsche Zeitschrift »Elektro-AnzeigOT«, Essen, 26.4.1952, S. 39 bis 41). Erreicht der Blindstrom eine gewisse Oröße, so werden die Kondensatoren zu· bzw. abgeschaltet. Solange die Generatorspannung und der Wirkwiderstand des Induktors konstant bleiben, ist der Blindstrom / · sin φ auf der Zuleitung tatsächlich ein Maß IUr die Oröße der zu* bzw. abzuschaltenden Kapazitäten. In den seJtensten Fällen bleiben aber die Spannung am hmiUelscBwingkreis und der ohmsehe Lastwider· stand, der in den Induktor hineintransformiert wird, konstant. Dies trifft sowohl für Einzelanlagen als auch für Sammelschienenanliigen zu. Die Spannung läßt sich einmal über die Erregung des Generators oder bei Sammelschienenanlagen über den Abgriff eines Stufentransformators einstellen. Sie ändert sich aber auch mit dem Kompensationsgrad des Schwingkreises sowie mit der Belastung des Generators. Bei vorgegebener induktiver Kopplung des Induktors mit dem zu erhitzenden Werkstück kann die Energie* zufuhr innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit nur über die Spannung beeinflußt bzw. geregelt werden. Häufig muß das Werkstück innerhalb einer bestimmten Zeitspanne auf eine eng tolerierte Temperatur gebracht werden Weiterhin muß zur Erzielung einer optimalen Leistungsaufnahme des Werkstückes die Induktorspannung über einen Transformator an die Generatorspannung angepaßt werden. Die Spannung ändert sich also von der Generatorseite her, von der Verbraucherseite her und auch in Abhängigkeit vom Kompensationsgrad des Parallelschwingkreises.

Ein Blindstromregler als Abstimmungsregler des Parallelschwingkreines spricht stets unabhängig von der anliegenden Spannung bei Erreichen einer vorher gewählten Größe des Bündstromes / · sin <f an und schaltet eine Kondensatoreinheit. Die gewählte Größe /sin ? entspricht aber nur bei einer bestimmten Spannung U_n einer Kondensatoreinheit. Wächst die Spannung über U_n hinaus, so schaltet also der Blindstromregler zu viel und bei einer Spannung kleiner U_n zu wenig an Kapazität. Bei zu hoher Spannung kann somit die Regelanlage ins Pendeln kommen, und bei zu niedriger Spannung wird ungenügend kompensiert, d. h., es kann Serienresonanz auftreten. Beide Zustände sind untragbar, in Fällen, in denen der Wirkstrom des Parallelschwingkreiscs nur von der Spannung abhängt, d. h. der Verbraucherwiderstand konstant bleibt, hat man sich dadurch geholfen, daß man den Phasenwinkel 7 auf der Leitung erfaßt und den Abstimmregler als Phasenwinkelregler arbeiten läßt (deutsche Auslegeschrift 1 048 337). Der Phasenwinkel q entspricht nämlich unabhängig von der anliegenden Spannung U in hinreichend linearer Funktion einer bestimmten Kapazität. Dies geht aus folgenden Gleichungen hervor:

X₁ =

- 'J³¹L

C 1 sin if
also C-I bzw. C ·«-

sin

für *R = const bzw. K = const.
Dabei ist

/ der Geaeratorstrom,

R der Wirkwiderstand des Generatorkreises, C die zu schaltende Kapazität,

οι die bei Induktionserwärmungsanlagen als konstant anzusehende Frequenz des Oenerator· stromes.

In fast allen Fallen der Induktionserwärmung ändert sich neben der Spannung aber auch der Widerstand des Parallelschwingkreises bzw. des Verbrau· eher». Bei Erfassung des Phasenwinkel φ auf der Zuleitung führt ein niederohmiger Verbraueher, wie

aus der Formel _

C *■

801

hervorgeht, zu ungenügender Kompensation bzw. zur Gefahr der Serienresonanz und ein zu hochohmiger Belastungswiderstand zu Regelschwingungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelanordnung anzugeben, durch die die Kondensatoren auch bei veränderlichem Verbraucherwiderstand stets in der benötigten Größe richtig geschaltet werden.

Der Regler soll der Funktion genügen

^c ~"

k ■ ι ■ sin 0

tronischer Schalter, der Widerstände 31, 32, 33, Dioden 34 und 35 und Zenerdioden 36, 37 enthält. Dieser Schalter gibt spannungslos zwischen den Punkten 20 und 21 entweder Kontakt oder unt-srbricht den Stromkreis, je nachdem, ob am Multivibratorausgang ein Potential ansteht oder nicht.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nun folgende: über den Anpassungswandler 7 wird der Generatorstrom I₀ dem aus den Bauele-

menten 8 bis 17 bestehenden Meßwertumformer zugeführt, dessen Ausgang eine zu J₀ · sin ψ propor-

er so,l also bri eine, w_äh,ba_re„ VoMtal. if* ansprechen und, je nachdem, ob die Größe / · sin ψ induktiv oder kapazitiv ist, eine Kondensatoreinheit zu- oder abschalten.

Dies wird ausgehend von einer Regelanordnung dereingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Reihe mit dem Meßwertumformer und dem Steuergerät ein elektronischer Schalter angeordnet ist, der von einem Impulsgeber mit einem von der Spannung am Parallelschwingkreis abhängigen Impuls-Pausenverhältnis in der Weise periodisch sperrbar ist, daß der Mittelwert des dem Steuergerät zugeführten Gleichstromes umgekehrt proportional der Spannung am Parallelschwingkreis und damit d.rekt proportional dem Blindleitwert ' ^ it.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in F1 g. 1 dargestellt. Ein Generator 1 speist die Heizwicklung 2 eines Schmelzofens. Parallel dazu liegen Kompensationskondensatoren 3 und 4, die mit Hilfe von Schaltschützen 5 und 6 eingeschaltet werden können. Der Übersichtlichkeit halber wurde die Zahl der Kompensationskondensatoren in der Zeichnung auf zwei Stück beschränkt.

Zwischen dem Generator 1 und der Heizwicklung 2 liegt ein Anpassungswandler 7. der mit einem aus den Bauteilen 8 bis 17 bestehenden Meßwertumformer verbunden ist. der eine zu dem Wert I₀ ■ sin η proportionale Gleichspannung liefert. Diese Anordnung besteht aus einem Transformator 8, Dioden 9. 10. 11 und 12. Widerständen 13. 14 und 15 sowie Kondensatoren 16 und 17. Am Ausgang des Meßwertumformers liegt ein Steuergerät. Es enthält ein Meßgerät 18, das den Ausgangsstrom mißt, arithmetisch mittelt und einen Kontaktarm 19 steuert.

Zwischen den beiden Punkten 20 und 21 befindet sich nun eine Anordnung, die den eben beschriebenen Ausgangskreis auf eine ganz bestimmte Weise unter· bricht. Es handelt sich dabei um einen gesteuerten Schalter, dessen aus den Teilen 22 bis 26 bestehende Steueranordnung folgendermaßen aufgebaut ist:

Ein Impulsgeber 22 ist mit einem bistabilen Multivibrator 23 verbunden, der ein normales RC-Zeitglied 24 speist. Letzteres wird außerdem von einem Spannungs· Stromumformer 25 angesteuert, dessen Eingang am Generator die Oeneratorspannung V₀ abgreift und dessen Ausgang einen zu V₀ propor· tionalen Strom /, an das Zeitglied 24 liefert.

Dieses Zeitglied gibt nun seine Signale an einen Sperrschwinger 26, d«r im vorliegenden Falle nur Jeweils einen Impuls weitergibt, der dann über eine RÜckfiihrleitung wieder zum Eingang des Multivibrators 23 gelangt. Der Ausgang des Multivibrators 23 speist einen Verstärker, bestehend aus den Wider* ständen 27, 28 und 20 und dem Transistor 30.

Hinter dem Verstärker liegt schließlich ein eiek*

den Kondensator 17 wird dem Eingang ein Steuerstrom aufgezwungen, der proportional zur Generatorspannung l/_G, aber um 90 phasenverschoben ist. Dieser Steuerstrom geht ai Jen beiden Diagonalpunkten 8a, 13a in eine Walther-'irücken-Schaltung hinein und steuert den Halbwellen entsprechend die Dioden 9, 12 und 10, 11 durch. Infolgedessen werden für einen durch den Umformer 8 eingeprägten Meßstrom den Halbwellen entsprechende Wege frei, die am Gesamtwiderstand 13 und 15 eine dem Meßstrom /_M proportionale Gleichspannung entstehen lassen. Die Phasenverschiebung zwischen Steuer- und Meßstrom schneidet verschiedene Halbwellenausschnitte aus der Sinuskurye des Meßstromes aus, so daß der entsprechende Gleichspannungsanteil am Gesamtwiderstand 13 und 15 auch proportional der Größe sin ? ist.

Der zu der Meßspannung gehörende Meßstrom /_M wird von der zwischen den Punkten 20 und 21 liegenden Anordnung unterbrochen, deren Wirkungsweise in Fig. 2 näher erläutert ist.

Ein positiver Spannungsimpuls U₂₂ des Impulsgebers22. dessen Periodendauer mit T bezeichnet ist. eröffnet den Vorgang zur Zeit T₁ . Sofort liegt am Multivibrator 23 ein Potential U₂₃, das den integrierenden Kondensator (Spannung U) des Zeitgliedes 24 bis zur Spannung U_tp linear auflädt. Bei U,_p (Zeitpunkt T₂) gibt der Sperrschwinger 26 einen einzigen kurzen positiven Impuls U_2b auf den Multivibrator ab. läßt ihn zurückkippen, und der Zeitglied-Kondensator entlädt sich bis zum Zeitpunkt T₃. Die Anordnung verbleibt in ihrem Zustand bis zu einem erneuten Impuls des Gebers 22 zum Zeitpunkt T₄. Wird nun der Zeitglied-Kondensatcr durch den Strom l_e aus dem Spannungs-Stromumformer 25 schneller aufgeladen, so spricht der Sperrschwinger 26 schon im Zeitpunkt T₂ an und verkürzt damit die Öffnungszeit r des Multivibrators 23 auf τ'. Da die Aufladung des Kondensators linear erfolgt, steht r im umgekehrt proportionalen Verhältnis zum Aufladestrom /,, Jer wiederum proportional zum Betrag der Generatorspannung ist.

Das am Multivibrator 23 wahrend der öffnungszeit τ anstehende Potential U₃* wird über den aus den Bauteilen 27 bis 30 bestenenden Verstärker Rn den elektronischen Schalter weitergegeben, der fol· gendermaßen arbeitet.

Leitet der Transistor 30, so fließt im elektronischen Schalter von der Plusklemme sowohl Über den Widerstand 33, die Zenerdiode 36, die Diode 35, dem Widerstand 32 und dm Transistor 30 al» auch über die Zenerdiode 37, die Diode 34, den Widerstand 31 und den Transistor 30 ein Oleichstrom zur Minusklemme. Dieser Oleichstrom steuert die Zenerdioden 36 und 37 in Zenerrichtung durch und legt sie auf

1 80t

sinen festen Arbeitspunkt. Die Schalterkombination muß symmetrisch sein, d. h., die anstehenden Gleich* spannungen zwischen den Punkten 38,39 und 39« 40 müssen etwa gleich groß sein. Zwischen den Punkten und 40 liegt dann im durehgesteuerten Zustand $ die Summe der beiden diffetentiellen Widerstände def Zenefdioden; im nicht durchgesteuerten Zustand geht der Widerstand gegen Unendlich.

Auf Orand des in F i g. 2 beschriebenen »Verfahrens zur 9pannungs-Zeit*Umformung« wird der Meßstrom /_M so zerhackt, daß er umgekehrt proportional zur Generatorspannung V₀ wird. Da die Oleichspannung am Kondensator 16, wie vorstehend beschrieben, proportional dem Oeneratorblindstrom /„ ■ sin ψ ist, ergibt sich also ein resultierender mittiefer Meßstrom von ^f- · sin ?> am Meßgerät 18, das diesen zerhackten Meßstrorn erfaßt, arithmetisch mittelt und den Kontaktarm 19 je nach Größe des Meßstrom-Mittelwertes verstellt. Dadurch werden die kompensierenden Kondensatöfen gemäß dem

Quotienten /p ■ sin φ, also gemäß dem ermittelten Blindleitwert, zugeschaltet.

Claims (2)

Patentansprüche.

1. Regelanordnung zur Abstimmung eines Parailelschwingkreises, insbesondere einer Induktionserwärmungsanlage, mit zu- und abschaltbaren Kondensatoren, bei der eine dem Blindstrom in der Zuleitung zum Parallelschwingkreis propor- a> tionale Ausgangsgleichspannung eines Meßwtrtumrormers einem Steuergerät für die meßwertabhängige Kondensatorumschaltung zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Meßwertumformer (8 bis 17) und dem Steuergerät (18,19) ein elektronischer Schalter (31 bis 37) angeordnet ist, der von einem Impulsgeber mit einem von der Spannung am Parallelschwingkreis abhängigen Impuls-Pausenverhältnis in der Wehe periodisch sperrbar ist. daß der Mittelwert des dem Steuergerät zugeführten Gleichstromes umgekehrt proportional der Spannung am Paralielsehwingkreis und damit

direkt proportional dem ßlindleitwert -|}^{n 7} ist.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte elektronische Schalter zwei gegeneinander in Serie geschaltete Zenerdio&tfi (36, 37) enthält, die während der Impulsdauer durch gegeneinander gerichtete Ströme in ihrem Zenerbereich durchgesteuert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen