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Anordnung zur Ermittlung der Lichtbogenspannungen in Drehstrom-Lichtbogenöfen
Zusatz zu Patentanmeldung P 24 05 252.6 (= VPA 74/8303) Die Hauptanmeldung P 24
05 252.6 betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Lichtbogenspannungen in Drehstrom-Lichtbogenöfen,
in der in je einem Vergleichsglied die Differenz aus der jeweils gegen den Badsternpunkt
gemessenen Strangspannung und der Summe aus dem Wirkspannungsabfall auf der zugehörigen
Zuleitung und den den zeitlichen Ableitungen der Ströme in den beiden anderen Zuleitungen
proportionalen 31 indspannungs abfällen gebildet wird.
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Die nach der Hauptanmeldung gewonnenen Meßwerte werden verfälscht,
wenn sich die Gegeninduktivitäten eines Ofens auf Grund von Höhenstandsänderungen
der Elektrodentragarme und von durch Stromkräfte hervorgerufenen Lageveränderungen
der flexiblen Stromseile ändern. MC Gee und Sperrow weisen in ihrem Bericht anläßlich
des Elektrowärme-Eongresses 1972 in Warsohau darauf hin, daß durch diese Kräfte
die Induktivitäten vergrößert werden, da gleichpolige Leiterseile (Seile einer Phase)
sich gegenseitig anziehen und ungleichpolige (Seilbtindel verschiedener Phasen)
sich gegenseitig abstoßen.
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Mit wachsenden Strömen nehmen daher die Gegeninduktivitäten zu.
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Die Höhenstandsänderungen der Elektrodentragarme haben relativ geringen
Einfluß, solange die Höhenstandeänderungen wesentlich kleiner sind als die mittleren
Abstände zwischen zwei benachbarten Phasen. Din trianguliertes System der Zuleitungen
ist gegen Höhenstandsänderungen eipfindlicher als ein coplanares.
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Bei größeren Höhenstandsänderungen, wie sie entweder bei undisziplinierter
Fahrweise oder während des Einechmelzens von Schrott entstehen können, sind die
Induktivitätsänderungen unter Umständen beträchtlich und haben große Verfälschungen
des Meßergebnisses der Meßanordnung zur Folge.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, Änderungen der Gegeninduktivitäten
auf Grund von Eöhenstandsänderungen der Elektrodentragarie (Traversen) und von Lageänderungen
der Strombahnen in der Meßanordnung zu berücksichtigen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß den Vergleichsgliedern
Korrekturwerte zugeführt sind, die in einer elektronischen Schaltung der zeitlichen
Verschiebung der gemessenen Nulldurchgänge von Lichtbogenspannung und Lichtbogenstroi
abgeleitet sind, die auf Grund der durch eine Änderung der Lage der Zuleitungen
hervorgerufenen Änderung der BlindspannungsabZä11e auftritt.
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Mit besonderem Vorteil sind die horizontalen Abschnitte der von den
Traversen bewegten Zuleitungen und die parallel dazu verlaufenden Abschnitte der
den Badsternpunkt mit den Zuleitungen verbindenden Meßleitung oder Meßleitungen
im wesentlichen in derselben horizontalen Ebene und in großem gegenseitigem Abstand
angeordnet.
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Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daßder Lichtbogen praktisch
einen rein ohmschen Widerstand in dem Sinne darstellt, daß Lichtbogenspannung und
Lichtbogenstrom immer nur gleiches Vorzeichen haben können. Sowohl durch Rechnungen
als auch durch Experirente wurde dies nachgewiesen. Daraus
ergibt
sich, daß die Lichtbogenspannung nur dann Null sein kann, wenn auch der Lichtbogenstrom
Null ist. Bei nicht lUckendem Lichtbogenstrom deutet somit eine gemessene zeitliche
Verschiebung der Nulldurchgänge von Lichtbogenspannung und Lichtbogenstrom auf Veränderungen
der Konstanten, d.h. Gegeninduktivitäten, in den Gleichungen hin. Demgegenüber bewirken
Veränderungen des ohmschen Widerstandes auf den Zuleitungen, z.B. bei länger oder
kürzer eingespannter Elektrode, keine Phasenverschiebung der Nulldurchgänge. Die
in die Gleichungen der Hauptanmeldung eingesetzten Gegeninduktivitäten lassen sich
wie folgt errechnen: M34,MS1 = 1/2 (LMS2 - LMS1 - L34) M35,MS1 = 1/2 (LMS3 - LMS1
- L35) M43,MS2 = 1/2 (LMS1 - LMS2 - L34) M45,MS2 = 1/2 (LMS3 - LMS2 - L45) M53,MS3
= 1/2 (LMS1 - LMS3 - L35) M54,MS3 = 1/2 (LMS2 - LMS3 - L45) M54,MS3 = 1/2 Lage -
L45) Jede der wirksamen Gegeninduktivitäten ist also über zwei Selbstinduktivitäten
je einer Hochstrombahn mit der Meßleitung und und über eine Selbstinduktivität zweier
Hochstrombahnen L34, L35 bzw. L45 ausdrückbar. Die Meßleitung wird daher vorteilhafterweise
derart verlegt, daß alle parallel zu den Traversen verlaufenden Abschnitte der Meßleitung
einerseits in möglichst großem Abstand zum Ofen und andererseits etwa in gleicher
Höhe wie die Traversen verlaufen.
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Durch diese Meßleitungsführung wird erreicht, daß sich die Selbstinduktivitäten
mit der leßleitung bei Höhenstandsänderungen der Elettrodentragarme praktisch nicht
ändern.
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Die Änderung einer Gegeninduktivität in den Ausgangsgleichungen beruht
demnach praktisch nur auf einer Veränderung der Selbstinduktivität der beiden Hochstrombahnen,
die in dieser Gegeninduktivität wirksam sind. Da aber nur drei dieser Selbstinduktivitäten
in dem System vorhanden sind, reduziert sich die Zahl der Variablen von sechs auf
drei.
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Unter Berücksichtigung veränderlicher Gegeninduktivitäten können daher
die Gleichungen für das System wie folgt geschrieben werden: Ul - uMS1 = i1 R1 +
UL1 + (M'34,MS1 - #L34) di2/dt + (M'35,MS1 - #L35) di3/dt U2 # UMS2 = i2 . R2 +
UL2 + (M 45,MS2 - #L45) di3/dt + (M'43,xs2 L34) di1/dt u3 # UMS3 = i3 + uL3 + (M'53,M53
- A L35) di1/dt + (M'54,MS3 - #L45) di2/dt Darin sind die mit M' bezeichneten Werte
die für eine vorgegebene geometrische Anordnung (Normalstellung) der Elektroden
geltenden Gegeninduktivitäten und die # Werte die Änderungen dieser Gegeninduktivitätswerte,
die unter den genannten Voraussetzungen gleich den Änderungen der Selbstinduktivitäten
jeweils der zwei betroffenen Hochstrombahnen sind. Diese Werte tauchen also immer
in den Gleichungen auf, die durch die Indizes der beiden Hochstrombahnen bestimmt
sind.
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Die Anordnung nach der Erfindung ermöglicht es, die Glieder A L .
di/dt aus dem Kriterium der Nulldurchgänge von Lichtbogenspannung
und
Lichtbogenstrom als Korrekturgröße zu gewinnen. Wie unter der Annahme rein sinusförmiger
Größen mit Hilfe der komplexen Rechnung leicht nachgewiesen werden kann, würde beispielsweise
bei Auftreten eines positiven Wertes ß L34 auf Grund von Veränderungen der geometrischen
Anordnung ohne Berückslchtigung der Horrekturgröße eine Lichtbogenspannung angezeigt,
die der tatsächlichen Lichtbogensnannung und damit den Nulldurchgängen des Lichtbogenstromes
zeitlich nacheilt, und zwar sowohl in Phase 3 mit dem Strom il als auch in der Phase
4 mit dem Strom i2. Aus dieser gleichsinnigen Verschiebung der Nulldurchgänge in
beiden Phasen gewinnt die Zusatzeinrichtung gemäß der Erfindung das Kriterium zur
Korrektur der in der Meßeinrichtung wirksamen Größen für M34,MS1 und M43,XS2 Nach
Einftilirung der Eorrekturgröße zeigen die Ströme und die Lichtbogenspannungen in
beiden Phasen keine Phasenverachiebung mehr zwischen den Nulldurchgängen der Lichtbogenspannung
und des Lichtbogenstromes.
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Nach Figur 1 sind die Elektroden 2 eines Drehstromlichtbogenofens
1 über die Hochstromleitungen 3, 4, 5 mit den Klemmen eines Ofentransformators 6
verbunden. An jede Hochstromleitung und an eine Meßleitung 7, die an den durch das
Bad 8 bzw. durch das Ofengehäuse gebildeten Sternpunkt 9 angeschlossen ist, ist
die Primärwicklung eines Spannungawandlern 10, 11 bzw. 12 geschaltet, dessen von
der Sekundärwicklung gelieferte Ausgangsepannung u1, u2 bzw. u3 einem Eingang eines
Vergleichsgliedes 13, 14 bzw. 15 zugeführt ist. Die Hochstromleitungen 3, 4, 5 bilden
zusammen mit der Meßleitung 7 je eine Meßschleife MS. Jeder Hochstromleitung ist
ein magnetischer Spannungsmesser 16, 17 bzw. 18 zugeordnet, dessen der Ableitung
des Stromes nach der Zeit (di/dt) proportionale Meßgröße je einem Integrator 19,
22 bzw. 25 und je zwei Verstärkern 24, 26 bzw. 20, 27 bzw. 21, 29 zugeführt ist.
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Die Ausgänge einer aus einem Integrator und zwei Verstärkern bestehenden
Gruppe sind mit je einem weiteren Eingang des zugeordneten Vergleichsgliedes verbunden.
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Die Ausgangsgröße der Integratoren entepricht dem Wirkspannungsabfall
i ' X, worin R die Summe aus dem Zuleitungswiderstand der Hochstrombahnen und dem
Elektrodenwiderstand ist. Die Ausgangsgröße der Verstärker entspricht den durch
die Gegeninduktivitäten in den einzelnen Meßschleifen abfallenden Blindspannungen
ub. Für den allgemeinen Fall nicht sinusförmiger Spannungen und Ströme gilt: u =
i R + uL + ub Darin ist u die Ausgangs spannung der Spannungswandler bzw. die direkt
gemessene Strangspannung uMS und uL die Lichtbogenspannung.
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Die Lichtbogenspannungen uX sind die Ausgangsgroßen der Vergleichsglieder
13, 14 und 15 und können beispielsweise mit Hilfe eines Oszillographen sichtbar
gemacht werden.
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Die Gegeninduktivitäten sind jedoch nur dann als konstant zu betrachten,
wenn die Lage der Hochstrombahnen sich nicht oder nur geringfügig ändert. Wenn mit
größeren Veränderungen dieser Gegeninduktivitäten auf Grund der Fahrweise des Ofens,
z.B. eines Hochleistungslichtbogenofens mit einer Dreieckanordnung der Elektroden,
zu rechnen ist, dann müssen diese Veränderungen berücksichtigt werden. Zu diesem
Zweck ist eine aus drei Anpaßgliedern 31, 32 und 33 bestehende elektronische Schaltung
vorgesehen.
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Wie in Figur 2 dargestellt, bilden Grenzwertmelder 301 bis 304 die
Eingangsstufen der Anpaßglieder 31, 32 und 33. Je ein Grenswertmelderpaar 301, 302
und 303, 304 wertet die indirekt gemessenen Strangspannungen u bzw. die Ströme i
auf eine positive oder negative Abweichung von Null aus. Sind beispielsweise beide
Werte positiv, dann wird über ein Und-Gatter 305 dem Löscheingang einer bistabilen
KippstuSe 307 ein Signal zugeführt. Sind jedoch beide Werte negativ, dann
wird
über das Und-Gatter 306 dem Setzeingang der Kippstufe ein Signal zugeführt. Eine
der Kigpstufe nachgeschaltete, aus zwei weiteren Und-Gattern 308 und 309 sowie einem
an den Ausgang des Und-Gatters 308 angeschlossenen Verstärker 310 bestehende Logikschaltung
gibt nur dann ein Signal weiter, wenn Spannung und Strom ungleiches Vorzeichen haben,
und zwar abhängig vom Vorzeichen nur das eine oder nur das andere Und-Gatter. Hierzu
ist je ein Eingang der Und-Gatter 308 und 309 mit dem Setzausgang der Kippstufe
verbunden, während je zwei weitere Eingänge der Und-Gatter mit den Signale entgegengesetzten
Vorzeichens liefernden Grenzwertmeldern 301 und 304 bzw. 302 und 303 verbunden sind.
Während der negativen Halbwellen von Spannung und Strom wird also die Bereitschaft
der Und-Gatter hergestellt, während einer nachfolgenden Zeit ungleichen Vorzeichens
von Spannung und Strom entweder ein positives oder negatives Signal konstanter Höhe
abgegeben.
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Das Ausgangssignal des Und-Gatters 308 wird über den Verstärker 310,
der das Vorzeichen des Signals umkehrt, an zwei der jeweiligen Phase zugeordnete
Integratoren 311, 312 oder 313, beispielsweise an den Integrator 311 für Phase 3
und 4 und an den Integrator 313 für Phase 5 und 3 geleitet. Das Ausgangssignal des
Und-Gatters 309 einer Phase wird denselben Integratoren zugeführt. Sobald Spannung
und Strom wieder positiv sind, wird das Ausgangssignal des Und-Gatters 308 bzw.
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309 gelöscht. Wenn also z.B. in Phase 3 oder 4 oder in beiden ein
Signal eines Vorzeichens an den Integrator 311 abgegeben wird, dann verändert dieser
seinen Ausgangswert so lange, bis entweder das oder die Eingangssignale vollkommen
verschwinden oder bis die zeitliche Länge der Signale bei ungleichem Vorzeichen
gleich sind. Der Ausgangswert des Integrators wird mit den Differentialquotienten
der entsprechenden Ströme in Multiplizierern 314 und 315 multipliziert und dann
in den Vergleichsgliedern 13, 14, 15 als Korrekturgröße zu den sich nicht ändernden
Werten M' di/dt addiert.
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Wenn die Eingangssignale am Integrator ungleiches Vorzeichen
haben,
dann muß noch mindestens ein anderer a L-Wert in der Anlage entstanden sein. Dadurch
wird der zweite hI,-Wert, der in der betreffenden Gleichung in dieser Phase auftaucht,
ebenfalls am zuständigen Integratorausgang eine Ausgangsspannung zur Folge haben,
bis im Idealfall an keinem der Eingänge der drei Integratoren mehr ein Eingangssignal
liegt.
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Wenn bei nicht ideal verlegter Meßleitung die Änderung einer Gegeninduktivität
nicht ebenso groß wie die der entsprechenden Selbstinduktivität ist, dann stellt
sich das System auf den Zustand ein, bei dem noch sehr kurzzeitige Eingangsimpulse
entgegengesetzten Vorzeichens an einem oder mehreren Integratoren verbleiben. Der
sich daraus ergebende Restfehler der Meßanordnung ist aber bei sinnvoller Verlegung
des Meßleiters unbedeutend.
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An Stelle des in der Meßschaltung ausgewerteten Kriteriums ungleicher
Vorzeichen zwischen den Meßwerten von Lichtbogenstrom und (fehlerhaft gemessener)
Lichtbogenspannung können die in der Meßschaltung anfallenden Zeiten scheinbar negativer
Lichtbogenleistung verwendet werden, wobei diese während jeder Periode zweimal auftretenden
negativen Werte vorzeichenrichtig dahingehend ausgewertet werden müssen, ob diese
Zeiten negativer Leistung jeweils unmittelbar vor oder unmittelbar nach dem Nulldurchgang
der gemessenen Lichtbogenspannung liegen.
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Die meisten in der Schaltung denkbaren Störungen, z.B. durch Schäden
an irgendwelchen Bauteilen, werden dazu führen, daß ein oder mehrere Integratoren
an den Anschlag laufen. Diese Tatsache läßt sich zur Gewinnung eines Störsignals
verwenden.
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In der Normalstellung der Elektrodentragarme sind die den reziproken
Werten der M'-Werte entsprechenden ohmechen Widerstände so abzugleichen, daß die
im Betrieb möglichen Veränderungen der Gegeninduktivitäten der Anlage nur zu Spannungsänderungen
am Integratorausgang führen, die noch innerhalb
des normalen Arbeitsbereiches
liegen. Bei norma'erweise coplanarer Anordnung der Elektrodentragarme werden vorzugsweise
Erhöhungen der wirksamen Gegeninduktivitäten zu berücksichtigen sein.
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6 Patentansprüche 2 Figuren