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Anordnung zur Messung der Lichtbogenleistung und/oder Verbrauchersternspannung
im Strang von dreiphasigen Lichtbogenöfen Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur Messung der elektrischthermischen Umsetzungsleistung und/oder Verbrauchersternspannung
von dreiphasigen Lichtbogen- oder Widerstandsöfen, wobei die Spannung zwischen einem
künstlichen, durch Einführung einer Kompensationsspannung in die Zuleitung zur Ofenwanne
gebildeten Meßsternpunkt und je einer der Phasen gemessen wird.
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Zur Optimierung des Betriebes derartiger Öfen ist es erforderlich,
daß alle drei Phasen die gleiche Leistung aufnehmen. Einer gleichmäßigen Belastung
der Phasen steht jedoch die Ausbildung der sogenannten scharfen und toten Phase
entgegen.
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Gleiche Leistungen in den einzelnen Phasen lassen sich nur dann erzielen,
wenn die Wirkleistungen in den Phasen genau genug gemessen werden können.
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Die Strangspannungen für Spannungs- und Wirkleistungsmessungen werden
normalerweise zwischen den Sekundärklemmen des Ofentransformators und dem durch
die Ofenwanne gebildeten Sternpunkt abgegriffen. Hierbei werden zwar die Leiterspannujngen
oder verketteten Spannungen fehlerfrei gemessen, da die in die kurzen, zu einem
Bündel zusammengeführten Änschlußleitungen induzierten Spannungen vernachlässigbar
sind. Jedoch wird sowohl in die lange Verbindungsleitung zwischen dem Ofenmantel
als Laststernpunkt und dem Sternpunkt der Meßgeräte als auch in die zu den Sekundärklemmen
des Transformators geführte Bündelleitung infolge der durch die großen Ofenströme
verursachten Magnetfelder eine Störspannung induziert, die außer vom Strom in den
einzelnen Phasen auch von der Lage der Meßleitungen abhängt. Diese Störspannung
täuscht falsche Sternspannungen vor und verfälscht die Wirkleistungs- und Spannungsmessung
in erheblichem Maße.
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Zur Messung der Umsetzungsleistung ist ein Verfahren bekannt, bei
dem die Meßleitungen an die Ofenwanne und an die Elektrodenfassungen angeschlossen
sind und der induktive Spannungsabfall an der Elektrode durch eine in der Meßleitung
angeordnete Drossel kompensiert wird, an der eine dem Leiterstrom proportionale
Gegenspannung erzeugt wird. Die in die Meßschleife induzierte Spannung wird hierbei
jedoch nicht kompensiert, so daß die Messung kein genaues Ergebnis liefert (britische
Patentschrift 781 639).
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Zur Verringerung oder Beseitigung einer unsymmetrischen Belastung
eines Drehstrom-Lichtbogenofens ist bereits vorgeschlagen worden, den Sternpunkt
durch eine Kompensationsspannung zu verschieben, die von einem zusätzlichen, in
die Mittelphase eingeschalteten Reaktanzelement erzeugt wird. Dieses Verfahren ist
jedoch zu ungenau, da die Sternpunktsverschiebung nur vom Strom in einer Phase abhängig
gemacht wird. Außerdem ist für die Anwendung eine kostspielige, zusätzliche Reaktanz
erforderlich (österreichische Patentschrift 181 899).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirkleistung und/ oder
Sternspannung in jedem Verbraucherstrang mit möglichst geringem Aufwand zu messen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den Meßsternpunkt
gegenüber dem durch die Ofenwanne gebildeten Sternpunkt um die Summe aus mindestens
zwei den Strömen in je einer Phase proportionalen, jedoch um 900 phasenverschobenen
Spannungen zu verschieben und in die Zuleitung für die Spannungsmessung jeder Phase
eine stromproportionale Gegenspannung einzuschalten.
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Vorteilhafterweise sind zwischen der Ofenwanne und dem Meßsternpunkt
zwei in Reihe geschaltete Blindwiderstände, vorzugsweise Kondensatoren angeordnet,
die jeweils im Sekundärkreis eines in jeder der Meßphasen vorgesehenen Stromwandlers
liegen. Die Kapazität der Kondensatoren ist zweckmäßigerweise einstellbar, so daß
sie am Einsatzort an die durch das Übersetzungsverhältnis der Stromwandler und die
räumliche Anordnung der Meßleitungen gegebenen Bedingungen angepaßt werden können.
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Anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Drehstrom-Lichtbogenofen und Fig. 2 ein elektrisches
Ersatzschaltbild des Ofenkreises.
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Der Lichtbogenofen besteht aus Ofenwanne 1 und Elektroden 2.
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Die Elektroden 2 sind über die Zuleitungen 3 mit den Klemmen R, S
und T des Ofentransformators 4 verbunden. Der Wirkwiderstand der Elektroden 2 und
Zuleitungen 3 ist mit r1, r2 und r3 und der veränderliche Lichtbogenwirkwiderstand
6 mit R1, R2 und R3 bezeichnet. Die omdiltovem Blindwiderstände L1, L2 und L3 berücksichtigen
im Ersatzschaltbild den induktiven Spannungsabfall einer Phase sowie die gegenseitige
induktive Beeinflussung mit den anderen Phasen.
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An den durch die Ofenwanne 1 gebildeten Sternpunkt 8 des Drehstromsystems
ist eine Meßleitung 9 angeschlossen, die mit einer Reihenschaltung von zwei einstellbaren
Kondensatoren 10 und 12 verbunden ist. Der Kondensator 10 ist der Sekundärwicklung
eines beispielsweise in der Phase T angeordneten Stromwandlers 11, der Kondensator
12 der Sekundärwicklung eines beispielsweise in der Phase R angeordneten Stromwandlers
13 parallelgeschaltet Die Spannungspfade von drei Leistungemessern 14 sind einmal
über die gebündelte Leitung 15 an die mit R, S und T bezeichneten Transformatorsekundärklemmen
und zum anderen an den mit 16 be zeichneten Ausgang der Schaltungsanordnung aus
den Kondensatoren 10, 12 und den Stromwandlern 11, 15 angeschlossen. Die Strompfade
der Leistungsmesser 14 sind mit den in den Leitern liegenden Stromwandlern 17 verbunden.
Die Öfenströme können auch über Stromwandler im Zwischenkreis, sofern vorhanden,
erfaßt werden.
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Durch die aus den Kondensatoren 10, 12 und den Stromwandlern 11, 13
gebildete Anordnung ist der Meßsternpunkt 16 gegenüber dem durch die Ofenwanne gebildeten
Sternpunkt 8 verschoben und da durch die in die Meßschleife 9, 15 durch die Magnetfelder
induzierte Störspannung kompensiert. Zweckmäßigerweise ist der Strom in den Stromwqandlern
11, 13 wesentlich größer (z.B. 0,5 A) als der Strom in der Meßleitung 9.
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Die Größe der Kondensatoren 10, 12 ist beispielsweise wie folgt bestimmbar:
Bei einem Kurzschlußversuch verschwindet der Lichtbogenwiderstand 6 und die aufgenommene
Wirkleistung wird von den sehr kleinen Zuleitungswiderständen r1, r2, r3 bestimmt,
die normalerweise in allen Phasen gleich groß sind. Die Kondensatoren sind dann
derart einzustellen, daß sich die kleinen Ausschläge der Leistungsmesser 14 wie
die Quadrate der Kurzschlußströme in den Phasen verhalten. Bei gleichen Kurzschlußströmen
müssen auch die Leistungsmesserausschläge gleich sein.
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Ist dieses Verfahren nicht anwendbar, kann eine Analyse der konstanten
Ersatzschaltbild-Induktivitäten, z.B. mit Hilfe von drei einphasigen Versuchen,
derart geführt werden, daß erstens bei Phasenstrom IT = 0 in der Schleife RS die
Werte L1 + L2, zweitens bei IS = O in der Schleife RT die Größen L1 + L3 und drittens
bei IR = O in der Schleife ST die Größen L2 + L3 bestimmt und daraus dann die Ersatzschaltbild-Induktivit
3 rechnet werden. Aufgrund von dreiphasigen Betriebsmessungen kann dann ein Zeigerdiagramm
gezeichnet werden, in dem mit Hilfe des bestimmbaren Spannungsabfalls an den Induktivitäten
7 das Potential des Ofensternpunkts 8 gefunden werden kann. Die in die Meßleitungen
9, 15 eingestreute Störspannung, bestehend aus der Potentialdifferenz zwischen Ofensternpunkt
8 und Meßsternpunkt 16 kann in zwei um 900 gegenüber zwei Strömen phasenverschobene
Teilspannungen aufgeteilt werden. Aus der Größe der Teilspannungen können die Werte
der Kondensatoren 10, 12 berechnet und eingestellt werden.
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Eine für die Messung der Phasenspannung erwünschte Kompensation des
Spannungsabfalls an den Widerständen r1, r2, r3 der Zuleitungen 3 und Elektroden
2 ist dadurch erreichbar, daß in jeder Phase an einem im Strompfad der Stromwandler
17 eingeschalteten Shunt ein stromproportionaler Spannungsabfall erzeugt wird. Diese
Spannung wird entweder durch einen Verstärker 19 mit einstell barem Verstärkungsgrad
oder durch einen Transformator mit einstellbarem Übersetzungsverhältnis derart auf
den Wert IRr1. ISr2 und ITr3 verstärkt, daf3 sie bei einer Schaltung nach Fig. 1
in Reihe
zur Spannungsmeßleitung 15, aber im Gegensinn wirkend,
den Wirkspannungsabfall auf der Zuleitung kompensiert und somit eine Messung der
tatsächlichen Lichtbogenleistung ermöglicht.
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Durch eine fremdgesteuerte Gleichrichterschaltung kann in jedem Verbraucherstrang
die Sternspannung in Wirkspannungs- und Blindspannungskomponente aufgeteilt werden,
wobei der Wirkspannungsabfall näherungsweise gleich der Lichtbogenspannung ist.
Mit Hilfe von Hallgeneratoren läßt sich durch Bildung des Quotienten aus Wirkspannung
und Leiterstrom der Wirkwiderstand r + R und durch Bildung des Quotienten aus Blindspannung
und Leiterstrom der Blindwiderstand L ermitteln.
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4 P a t e n t a n s p r ü c h e 2 Figuren