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Anordnung zur Symmetrierung und zur Verbesserung des Leistungsfaktors
von Drehstrom-Lichtbogenöfen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Symmetrierung
eines Drehstrom-Lichtbogen- oder Widerstandsofens mit mindestens einem induktiven
Blindwiderstand und zur Verbesserung des Leistungsfaktors des Ofens.
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Die Phasenströme und Leistungen von derartigen an ein symmetrisches
Netz angeschlossenen Öfen sind im allgemeinen infolge einer unsymmetrischen Bauart
der Hochstromkreise unterschiedlich hoch.
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Diese Unsymmetrie macht sich bei Lichtbogen und Widerstandsöfen mit
in Reihe angeordneten Elektroden besonders stark bemerkbar. Aufgrund der Unsymmetrie
fließt entweder in der Mittelphase oder in einer Außenphase der größte Strom und
in der anderen hußenphase der kleinste Strom. Diese mit "toter und scharfer Phase"
bezeichnete Erscheinung hat zur Folge, daß nicht nur das versorgende Hochspannungsnetz
unsymmetrisch belastet wird, sondern daß auch z.B. der Betrieb durch unterschiedliche
Abnutzung der Ofenausmauerung und des Deckels erheblich erschwert werden kann und
daß unter den Elektroden ein ungleicher Leistungsumsatz auftritt. Infolgedessen
kann auch die maximale Wirkleistung des Ofentransformatör nicht in allen Phasen
ausgenutzt werden.
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Die unsymmetrische Stromverteilung ist durch unterschiedliche Induktivitäten
der den Ofentransformator mit den Elektroden und dem Ofenmantel verbindenden Leitungen
bedingt und hängt von der Lage und der unterschiedlichen Länge der Leiter ab. Die
Unsymmetrie kann beispielsweise durch unsymmetrische Einstellung der Ofenspannungen
zumindest teilweise ausgeglichen werden. Eine weitere Möglichkeit zum Ausgleich
der toten und scharfen Phase besteht darin, die unterschiedlichen Induktivitäten
durch zusätzlgah eingeschaltete induktive Blindwiderstände auszugleichen.
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Bei einer bekannten Kompensierungsanordnung fUr Drehstrom-Liohtbogenöfen
ist
zur Verringerung oder Beseitigung der Belastungsunsymmetrie ein Reaktanzelement
in einer der den Speisetransformator mit den Elektroden verbindenden Leitungen angeordnet.
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Da dieses Reaktanzelement im Hochstromkreis liegt, ist als Reaktanzelement
ein lamellierter, die Zuleitung zur Mittelelektrode umgebender Eisenkern mit Luftspalt
vorgesehen (österreiche Patentschrift 181 899).
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Da bei dieser bekannten Anordnung die Symmetrierung im Hochstromkreis
durchgeführt wird, können praktisch nur Zusatzinduktivitäten in Form von lamellierten
Eisenkernen mit Luftspalt verwendet werden. Derartige Zusatzinduktivitäten verursachen
erhebliche Kosten.
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Zur Vermeidung der vorerwähnten Nachteile wird gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, auf der Hochspannungsseite eines. dem Speisetransformator zugeordneten
Zwischentransformators in mindestens einer Phase einen induktiven Blindwiderstand
und/oder in mindestens einer bzw. einer weiteren Phase einen kapazitiven Blindwiderstand
in der Reihenschaltung aus den Zwischenkreiswicklungen des Speisetransformators
und den Primärwicklungen des Zwischentransformators anzuordnen. Bei unterschiedlicher
Induktivität aller Ofenzuleitungen ist in die beiden, mit den kleineren Induktivitäten
behafteten Phasen des Zwischenkreises je ein induktiver Blindwiderstand geschaltet,
dessen Größe sich aus der Differenz der größten und je einer der beiden anderen
Induktivitäten multipliziert mit dem Quadrat de s Übe des Übersetzungsverhältnisses
des Zwischentransformators ergibt. Mit Vorteil kann statt dessen in den beiden mit
den größeren Induktivitäten behafteten Phasen des Zwischenkreises je ein kapazitiver
Blindwiderstand eingeschaltet sein, dessen Größe gleich dem reziproken Wert des
Produktes aus dem Quadrat des übersetzungsverhältnisses des Zwischentransformators,
dem Quadrat der Kreisfrequenz und der Differenz zwischen der Induktivität der zugehörigen
Phase und der dritten Phase ist.
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Anhand von in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispielen wird
die Erfindung wie folgt erläutert.
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In Fig. 1 ist schematisch eine Ofenanlage dargestellt. Der Licht bogenofen
besteht aus der Ofenwanne 1 und den Elektroden 2. Die Elektroden 2 sind über Zuleitungen
3 mit den Klemmen R, X, T eines Ofentransformators verbunden, der aus einem Haupttransformator
4 und einem Zwischentransformator 5 besteht. Von dem in den Primärwicklungen 6 des
Haupttransformators erzeugten magnetischen Fluß werden Spannungen in den Sekundärwicklungen
7 und in den Zwischenkreiswicklungen 8 induziert. Die Hochspane nungswicklungen
9 des Zwischentransformators, denen von den Zwischenkreiswicklungen 8 über Stufenschalter
eine variable Spannung zugeführt wird, induzieren in den Sekundärwicklungen 10 des
Zwi schentransformators eine variable, in Reihe zur Niederspannung des HaupttransformatorX
wirkende Spannung.
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In dem in Fig. 2 dargestellten Ersatzschaltbild des Lichtbogen ofens
sind die ohmschen Widerstände der drei Lichtbögen 11., der Zuleitungen 3 und der
Elektroden 2 als Wirkwiderstände R1, R2 und R3 zusammengefaßt. Die induktiven Widerstände
des Ofens sind mit L1, L2 und L3 bezeichnet. Sie lassen sich beispielsweise meß
technisch bestimmen, indem in drei einphasigen Versuchen für 1R = O in der Schleife
S-T die Werte L2 + L3, für Is = O in der Schleife T-R die Werte L3 + L1 und schließlich
für IT = O in der Schleife R-S die Größen L1 2 L2 gemessen und daraus dann die Einzelwerte
L1, L2 und L3 berechnet werden.
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Im allgemeinen haben infolge eines unsymmetrischen Aufbaus der Zuleitungen
und/oder des Ofens selbst die induktiven Widerstände unterschiedliche Werte (L1
# L2 # L3). Dadurch entstehen bei gleichen Netzspannungen unsymmetrische Ofenströme
und Ofenleim stungen. Setzt man in allen Phasen symmetrische Wirkwiderstände (R1
= R2 = R3 = R) voraus, dann hat eine Einstellung auf gleiche Ofenströme auch gleiche
Ofenleistungen zur Folge. Eine solche Symmetrierung der Ofenströme wird dadurch
erreicht, daß bei symmetrischem Netz die Unterschiede der ungleichen Blindwiderstände
durch mindestens einen zusätzlichen, in den Zwischenkreis des Ofentransformators
eingeschalteten Blindwiderstand ausgeglichen werden. Wenn die Phasenspannungen auf
der Niederspannungsseite unsymmetrisch einstellbar sind, genügt eine Teil symmetrierung
der unterschiedlichen induktiven Widerstände durch
einen oder mehrere
zusätzliche Reihenblindwiderstände. Zur restlichen Symmetrierung werden dann die
Phasenspannungen oder die Netzspannungen unsymmetrisch eingestellt. Bei einer Ofenlage,
bei der die Ströme, die induktiven Widerstände L und damit auch die Leistungen symmetrisch
sind, ist es möglich, den Leistungsfaktor durch drei gleich große, in den Zwischenkreis
eingeschaltete Kondensatoren CK (Fig. 5) zu verbessern.
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Sind die Induktivitäten nicht gleich groß, beispielsweise L3 >
L1 > L2, dann werden die Unterschiede, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt,
durch eine Zusatzinduktivität LZ1 in der Phase 1 und eine Zusatzinduktivität Lz2
in der Phase 2 ausgeglichen. Für die Größe der Zusatzinduktivität gilt: LZ1 = ü²
# (L3 - L1) bzw. LZ2 = ü² # (L3 - L2).
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Darin ist ü das Übersetzungsverhältnis zwischen den Hoch- und Niederspannungswicklungen
9 bzw. 10 des Zwischentransformators.
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Dabei hat die in allen drei Phasen wirksame Induktivität die Größe
der Induktivität in der Phase 3 (L3).
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Häufig ist L3 = L1. In diesem Sonderfall ist nur eine Zusatzinduktivität
Lz2 vorzusehen, da Lz1 entsprechend der vorstehenden Gleichung Null wird.
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Nach Fig. 3 ist in jede der Außenphasen ein Kondensator C1 bzw.
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C3 eingeschaltet. Hierdurch wird die in den Phasen wirksame Induktivität
auf den Wert der Induktivität der Mittelphase L2 vermindert. Für die Größe der einzuschaltenden
Kapazität gilt: C1 = 1 bzw. C3 = 1 ü² # #² # (L1 - L2) ü² # #² # (L3 - L2) Darin
ist # die Kreisfrequenz. Liegt der erwähnte Sonderfall L3 = L1 vor, dann sind C1
und C3 gleich groß.
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Nach Fig. 4 sind in der Mittelphase eine Zusatzinduktivität Lm und
in den beiden Außenphasen je ein Kondensator C1m bzw. 03m angeordnet. Dadurch läßt
sich erreichen, daß in allen drei Phasen eine Induktivität gleicher Größe (L), die
zwischen den Grenzwerten L3 und L2 liegt, wirksam ist. Durch die Zusatzinduktivität
Sm ergibt sich in der Mitte@phase eine Erhöhung der
Induktivität
und in den Außenphasen durch die Kondensatoren C und 03m eine Verminderung der Induktivität.
Für die Bemessung dieser Blindwiderstände gilt: 1 1 Lm = ü2 # (L-L2), C1m = - und
C3m = -ü2#2#(L1 - L2) ü2#2 # (L3-L@) Für die Anordnung nach Fig. 5 ist vorausgesetzt,
daß die Induktivitäten gleich groß sind (L1 = L2 = L3 = L). Durch Einschaltung von
drei Kondensatoren C@ gleicher Kapazität in den Zwischenkreis wird die wirksame
induktivität auf einen Wert LK verkleinert. In diesem Falle gilt: 0K = 1 ü2#2 #
(L-LK) 5 Patentansprüche 5 Figuren