DE2437887C2

DE2437887C2 -

Info

Publication number: DE2437887C2
Application number: DE19742437887
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Prof. Dr.-Ing. 3392 Clausthal-Zellerfeld De Bretthauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-06
Filing date: 1974-08-06
Publication date: 1987-06-25
Also published as: JPS5525715B2; DE2437887A1; JPS5166205A

Description

Das Hauptpatent P 24 05 252 betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Lichtbogenspannungen in einem Drehstrom- Lichtbogenofen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die nach dem Hauptpatent gewonnenen Meßwerte werden verfälscht, weil sich die Gegeninduktivitäten eines Ofens aufgrund von Höhenabstandsänderungen der Elektrodentragarme und von durch Stromkräfte hervorgerufenen Lageveränderungen der flexiblen Stromseile ändern. Mc Gee und Sperrow weisen in ihrem Bericht anläßlich des Elektrowärme- Konkresses 1972 in Warschau darauf hin, daß durch diese Kräfte die Induktivitäten vergrößert werden, da gleichpolige Leiterseile (Seile einer Phase) sich gegenseitig anziehen und ungleichpolige Leiterseile (Seile verschiedener Phasen) sich gegenseitig abstoßen. Mit wachsenden Strömen nehmen daher die Gegeninduktivitäten zu.

Die Höhenstandsänderungen der Elektrodentragarme haben relativ geringen Einfluß, solange die Höhenstandsänderungen wesentlich kleiner sind als die mittleren Abstände zwischen zwei benachbarten Phasen. Ein trianguliertes System der Zuleitungen ist gegen Höhenstandsänderungen empfindlicher als ein coplanares. Bei größeren Höhenstandsänderungen, wie sie entweder bei undisziplinierter Fahrweise oder während des Einschmelzens von Schrott entstehen können, sind die Induktivitätsänderungen unter Umständen beträchtlich und haben große Verfälschungen des Meßergebnisses der Meßanordnung zur Folge.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, Änderungen der Gegeninduktivitäten aufgrund von Höhenstandsänderungen der Elektrodentragarme (Traversen) und von Lageänderungen der Strombahnen in der Meßanordnung zu berücksichtigen und dadurch verursachte Verfälschungen der gemessenen Lichtbogenspannungen zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß der Lichtbogen praktisch einen rein ohmschen Widerstand in dem Sinne darstellt, daß Lichtbogenspannung und Lichtbogenstrom immer nur gleiche Vorzeichen haben können. Sowohl durch Rechnungen als auch durch Experimente wurde dies nachgewiesen. Daraus ergibt sich, daß die Lichtbogenspannung nur dann Null sein kann, wenn auch der Lichtbogenstrom Null ist. Bei nicht lückendem 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 oder Nulldurchgänge. Die in die Gleichungen der Hauptanmeldung eingesetzten Gegeninduktivitäten lassen sich wie folgt errechnen:

M _34,MS1 = ½ (L _MS2 - L _MS1 - L₃₄)
M _35,MS1 = ½ (L _MS3 - L _MS1 - L₃₅)
M _43,MS2 = ½ (L _MS1 - L _MS2 - L₃₄)
M _45,MS2 = ½ (L _MS3 - L _MS2 - L₄₅)
M _53,MS3 = ½ (L _MS1 - L _MS3 - L₃₅)
M _54,MS3 = ½ (L _MS2 - L _MS3 - L₄₅)

Jede der wirksamen Gegeninduktivitäten ist also über zwei Selbstinduktivitäten L _MS je einer Hochstrombahn mit der Meßleitung 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.

Durch diese Meßleitungsführung wird erreicht, daß sich die Selbstinduktivitäten mit der Meßleitung bei Höhenstandsänderungen der Elektrodentragarme praktisch nicht ändern.

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. Unter Berücksichtigung veränderlicher Gegeninduktivitäten können daher die Gleichungen für das System wie folgt geschrieben werden:

u₁ ∼ u _MS1 = i₁ · R₁ + u _L1 + (M′₃₄, _MS1 - Δ L₃₄) di₂/dt + (M′₃₅, _MS1 - Δ L₃₅) di₃/dt
u₂ ∼ u _MS2 = i₂ · R₂ + u _L2 + (M′₄₅, _MS2 - Δ L₄₅) di₃/dt + (M′₄₃, _MS2 - Δ L₃₄) di₁/dt
u₃ ∼ u _MS3 = i₃ · R₃ + u _L3 + (M′₅₃,_MS3 - Δ L₃₅) di₁/dt + (M′₅₄, _MS₃ - Δ L₄₅) di₂/dt

Darin sind die mit M′ bezeichneten Werte die für eine vorgegebene geometrische Anordnung (Normalstellung) der Elektroden geltenden Gegeninduktivitäten und die Δ L-Werte die Änderungen dieser Gegeninduktivitätswerte, die unter den genannten Voraussetzungen gleich den Änderungen der Selbstinduktivitäten jeweils der zwei betroffenen Hochstrombahnen sind. Diese Δ L-Werte tauchen also immer in den Gleichungen auf, die durch die Indizes der beiden Hochstrombahnen bestimmt sind.

Die Anordnung nach der Erfindung ermöglicht es, die Glieder Δ 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 Δ L₃₄ auf Grund von Veränderungen der geometrischen Anordnung ohne Berücksichtigung der Korrekturgröße eine Lichtbogenspannung angezeigt, die der tatsächlichen Lichtbogenspannung und damit den Nulldurchgängen des Lichtbogenstromes zeitlich nacheilt, und zwar sowohl in Phase 3 mit dem Strom i₁ 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 die Gegeninduktivitäten M _{34, MS 1} und M _{43, MS 2}. Nach Einführung der Korrekturgröße zeigen die Ströme und die Lichtbogenspannungen in beiden Phasen keine Phasenverschiebung mehr zwischen den Nulldurchgängen der Lichtbogenspannung und des Lichtbogenstromes.

Nach Fig. 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 Spannungswandlers 10, 11 bzw. 12 geschaltet, dessen von den Sekundärwicklungen gelieferte Ausgangsspannungen 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. Jede 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, 23 zugeführt ist. Die Ausgänge einer aus einem Integrator und zwei Verstärkern bestehenden Gruppe sind mit je einem weiteren Eingang des zugeordneten Vergleichsgliedes verbunden.

Die Ausgangsgröße der Integratoren entspricht dem Wirkspannungsabfall i · R, 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 µ_b. Für den allgemeinen Fall nicht sinusförmiger Spannungen und Ströme gilt:

u =i · R + u _L + u _b

Darin ist u die Ausgangsspannung der Spannungswandler bzw. die direkt gemessene Strangspannung u _MS und u _L die Lichtbogenspannung.

Die Lichtbogenspannungen u _L sind die Ausgangsgrößen der Vergleichsglieder 13, 14 und 15 und können beispielsweise mit Hilfe eines Oszillographen sichtbar gemacht werden.

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.

Wie in Fig. 2 dargestellt, bilden Grenzwertmelder 301 bis 304 die Eingangsstufen der Anpaßglieder 31, 32 und 33. Je ein Grenzwertmelderpaar 301, 302 und 303, 304 wertet die indirekt gemessenen Strangspannungen n 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 Kippstufe 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 Kippstufe 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. 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. 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.

Wenn die Eingangssignale am Integrator ungleiches Vorzeichen haben, dann muß noch mindestens ein anderer Δ L-Wert in der Anlage entstanden sein. Dadurch wird der zweite Δ L-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.

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.

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.

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. In der Normalstellung der Elektrodentragarme sind die den reziproken Werten der M′-Werte entsprechenden ohmschen 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 normalerweise coplanarer Anordnung der Elektrodentragarme werden vorzugsweise Erhöhungen der wirksamen Gegeninduktivitäten zu berücksichtigen sein.

Claims

1. Anordnung zur Ermittlung der Lichtbogenspannungen in einem Drehstrom-Lichtbogenofen, bei der in jeder Phase die Differenz aus der Spannung zwischen dem Badsternpunkt und der betreffenden Hochstromleitung und aus der Summe der durch zeitliche Ableitung der Ströme auf den Hochstromleitungen der beiden anderen Phasen erfaßten Gegeninduktionsspannungen und des ohmschen Spannungsabfalles auf der betreffenden Hochstromleitung durch Summierung gebildet wird, wobei der Badsternpunkt mit den Hochstromleitungen über eine Meßleitung verbunden ist und einem jeder Phase zugeordneten Vergleichsglied als ohmscher Spannungsabfall die Ausgangsspannung eines magnetischen Spannungsmessers der betreffenden Phase über einen Integrator und zur Erfassung sämtlicher in der betreffenden Hochstromleitung und der Meßleitung induzierten Spannungen die Ausgangsspannungen weiterer magnetischer Spannungsmesser in den beiden anderen Phasen jeweils über einen Verstärker zugeführt werden, nach Patent 24 05 252.6, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Schaltung (31, 32, 33) vorhanden ist, welche die durch die Änderung der Lage der Zuleitungen (3, 4, 5) hervorgerufene Änderung der Blindspannungsabfälle und dadurch verursachte Phasenverschiebung zwischen gemessener Lichtbogenspannung und gemessenem Lichtbogenstrom erfaßt und daraus Korrekturwerte für die in den Vergleichsgliedern (13, 14, 15) ermittelte Lichtbogenspannung bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufen der elektronischen Schaltung (31, 32, 33) Grenzwertmelder (301-304) sind, die auf von Null abweichende, positive bzw. negative Werte der gemessenen Strangspannung und des Stromes in den einzelnen Phasen ansprechen, und daß aufgrund von vorzeichenungleichen Eingangssignalen gleichzeitig auftretende Ausgangssignale der Grenzwertmelder einer Phase jeweils zu Eingangssignalen für zwei der elektronischen Schaltungen (31, 32, 33) geformt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den je einer Phase zugeordneten Grenzwertmeldern (301-304) eine Logikschaltung (305- 310) nachgeschaltet ist, die je nach der Kombination der ungleichen Vorzeichen (+ u, - i oder - u, + i) einen Impuls des einen oder des anderen Vorzeichens an den der eigenen Phase und den einer Nachbarphase zugeordneten Integrator (311, 312, 313) liefert.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jeden der Integratoren (311, 312, 313) zwei Multiplizierer (314 und 315), denen zusätzlich die Ableitung des Stromes der jeweils eigenen Phase zugeführt ist, angeschlossen sind, und daß die Ausgänge der Multiplizierer mit den der eigenen Phase zugeordneten Vergleichsgliedern (13, 14, 15) verbunden sind.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (305-310) zwei erste UND-Gatter (305, 306), eine an deren Ausgänge angeschlossene bistabile Kippstufe (307), zwei zweite UND-Gatter (308, 309) und eine Umkehrstufe (310) enthält, daß das eine der ersten UND-Gatter (305, 306) mit den auf die positiven Werte der Spannung und des Stromes ansprechenden Grenzwertmeldern (301, 303) und das andere mit den auf die negativen Werte ansprechenden Grenzwertmeldern (302, 304) verbunden ist, und daß ein erster Eingang der zweiten UND-Gatter (308, 309) mit dem Setzausgang der Kippstufe, ein zweiter und ein dritter Eingang mit je einem Ausgang der Grenzwertmelder (301, 304) bzw. (302, 303) derart verbunden sind, daß jeweils Spannungs- und Stromsignale ungleichen Vorzeichens an den Eingängen der zweiten UND-Gatter anstehen.