DE2730496A1 - Schaltung fuer wanderfeld-induktoren - Google Patents

Description

DR.-ING. EUGEN MAIER DR.-ING. ECKHARD WOLF PATE NTANWAlTE

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TCLCFON: (O711) 34 a761/2 TCLEORAMMC: MENTOR

7 STUTTGART 1, P I S C H E K S T R. 1 9

DMESPNER BANK AG STUTTGART NR I93O534 POSTSCMCCK STGT. 25 2OO-7O&

A 12 086

5. Juli 1977

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INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURGIE FRANCAISE

185, rue President Roosevelt Saint Germain-en-Laye (Yvelines) / Frankreich

COMPAGNIE ELECTRO-MECANIQUE 12, rue Portalis, 75008 Paris / Frankreich

Schaltung für Wanderfeld-Induktoren

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für elektromagnetische Mehrphaseninduktoren, die wie bei sogenannten Linearmotoren magnetische Wanderfelder erzeugen, wie sie auch bei Induktionsöfen zur Aufheizung insbesondere von ebenflächigen elektrisch leitenden Körpern Verwendung finden.

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Es ist bekannt, daß bei der Verwendung der vorgenannten Kehrphaseninduktoren, die nur eine geringe Zahl von Polen und eine im Verhältnis zu anderen Abmessungen nur geringe Länge aufweisen, die Unsymmetrie der geometrischen Lage der Induktorphasen im Verhältnis zu den äußeren Enden des Systems wie auch im Verhältnis zum Anker eine erhebliche Störung des elektrischen Gleichgewichtes verursacht, die Ströme und Spannungen unterschiedlicher Phasen hervorruft. Dies wirkt sich in einer stark unterschiedlichen Belastung der Phasen des Generators aus, wobei diejenige Phase am stärksten belastet ist, die die Wicklung am Eingang des Induktors - am Ende, an dem das Wanderfeld in das System eintritt, - speist, während die Phase am Austritt des Induktors aufgrund einer nahezu verschwindenden Arbeitsleistung nur eine geringe Belastung aufweist.

Bei einem Dreiphaseninduktor ist die Störung des elektrischen Gleichgewichtes auf zwei unterschiedliche Ursachen zurückzuführen. Die eine ist eine räumliche Unsymmetrie, die aus der unterschiedlichen Lage der Phasenstromkreise im Verhältnis zu den äußeren Enden des Systems resultiert, die andere ist eine zeitliche Unsymmetrie, die aus der Phasenverschiebung der diese Stromkreise durchfließenden Ströme resultiert, wobei die Kombination dieser beiden Unsymmetrien zur Erzeugung eines Wanderfeldes notwendig ist. Dies führt dazu, daß man zwi schen der Funktion dieser beiden äußersten Enden unterschei-

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den muß, deren eines am Eintritt und deren anderes am Ausgang des Wanderfeldes gelegen ist, und daß man dadurch ein elektromagnetisches Ungleichgewicht zwischen den einander benachbarten Stromkreisen des einen oder des anderen äußeren Endes hervorruft. Mit einem Zweiphaseninduktor kann man eine vollkommene räumliche Symmetrie erzielen, wobei jede Phase eine zur anderen Phase bezüglich der äußeren Enden symmetrische Lage einnehmen kann. Andererseits wird die elektromagnetische Unsymmetrie dadurch aufrechterhalten, daß die Ströme eine Phasenverschiebung von -τ aufweisen, so daß das Wanderfeld am einen Ende eintritt und am anderen Ende austritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine Schaltung für ein elektromagnetisches Wanderfeld zu entwickeln, bei der sowohl bezüglich der an dem Induktor liegenden Spannung als auch bezüglich des den Induktor durchfließenden Stroms Gleichgewicht besteht.

Dies wird bei einer Vorrichtung der vorgenannten, zwei ebene, einander gegenüberliegende Induktoren aufweisenden Art gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß jeder Induktor auf seiner wirksamen Seite eine gerade Zahl geradlinig angeordneter Stromleiter aufweist, die zwei zweiphasige, in der Mitte eines jeden Induktors in Serie miteinander verbundene Schleifenwicklungen bilden, wobei der den Anfang der

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Wicklung eines jeden Induktors bildende Leiter mit dem das Ende der Wicklung des anderen Induktors bildenden Leiter verbunden ist, so daß eine in Wheatstone'scher Brückenschaltung geschlossene Gesamtwicklung gebildet wird, die von einem Zweiphasengenerator gespeist wird, dessen eine Phase an die Verbindungspunkte der beiden zweiphasigen Wicklungen eines Induktors und dessen andere Phase an die Verbindungspunkte der beiden Induktoren angeschlossen ist.

Die Stromleiter eines jeden Induktors sind vorteilhafterweise so miteinander verbunden, daß zweiphasige, in Serie geschaltete,ineinandergreifende Wicklungen mit verteilten Polen gebildet werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Überlegung kann unter zwei verschiedenen, einander vollkommen komplementären Gesichtspunkten betrachtet werden. Unter dem einen Gesichtspunkt betrachtet handelt es sich darum, einer Eintrittswicklung des einen Induktors eine Austrittswicklung des anderen Induktors und umgekehrt zuzuordnen, so daß die zwei so gebildeten Einheiten sich bezüglich der elektrischen Leistungsaufnahme gleich verhalten. Unter dem zweiten Gesichtspunkt betrachtet handelt es sich darum, die vier Wicklungen in einer abgegliche- nen Wheatstone'sehen Brückenschaltung anzuordnen, an deren Diagonalen die beiden Phasenwicklungen eines Zweiphasengenerators angelegt sind, derart, daß diese beiden Phasen elektrisch gegeneinander entkoppelt sind und keine Speisung von

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der einen Phasenwicklung in die andere stattfindet. Diese beiden Maßnahmen wirken eng dahingehend zusammen, in einem kurzen elektromagnetsichen Mehrphasensystem mit einer geringen Zahl von Polen und einer abgeglichenen frehrphasenspeisung,d.h. ohne daß Gegenströme einer nennenswerten Stärke auftreten, ein Wanderfeld hoher Feldstärke zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Schaltung macht es notwendig, daß die Induktoren aus einem Zweiphasen-Netz gespeist werden. Da für industrielle Zwecke im allgemeinen nur Drehstrom zur Verfügung steht, wird dieser in bekannter Weise, vorzugsweise mittels eines Scott-Transformators, in Zweiphasenstrom umgewandelt.

Mit einem eine Zweiphasenwicklung aufweisenden Induktor gemäß der Erfindung kann man gleichzeitig eine räutaliche und auch eine elektromagnetische Symmetrie erreichen.

Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich für die verschiedensten Anwendungen elektromagnetsicher Wanderfelder in allen den Fällen, in denen es möglich ist, zwei gleiche Induktoren bezüglich eines Ankers in gleicher Weise anzuordnen, des weiteren in den Fällen, in denen es sich grundsätzlich um die Erzeugung von Kräften und von Bewegungsenergie handelt, wie z.B. im Fall von Linearmotoren und Einrichtungen zum Pumpen und Umwälzen leitender Flüssigkeiten, sowie in Fällen, in denen es sich im wesentlichen um die Erhitzung von Materialien handelt, wie z.B. bei

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Induktionsöfen und sonstigen Einrichtungen zur thermischen Behandlung von Stoffen.

In der Zeichnung ist ein Ausfiihrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung bei einem schematisch dargestellten Induktionsofen für die Erhitzung metallurgischer Produkte wiedergegeben. Es zeigen

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen zwei ebene Wanderfeldinduktoren aufweisenden Induktionsofen;

Fig. 2 das prinzipielle Schaltschema zweier in Brückenschaltung angeordneter Induktoren;

Fig. 3 das prinzipielle Schaltschema nach Fig. 2 in symbolischer Darstellung;

Fig. 4 das Schema der Verbindungen der einzelnen Stromleiter eines Induktors.

Der in Fig. 1 dargestellte, für die Erhitzung von Stahlbrammen ausgelegte Induktionsofen ist hinsichtlich seiner Konstruktion und seiner Funktion in der älteren Anmeldung P 27 01 795.4 beschrieben. Er unterscheidet sich von diesem lediglich durch die andersartige erfindungsgemäße Schaltung der Stromleiter der Induktoren.

Eine hochkantstehende Stahlbramme 1 befindet sich in einem Heizkanal 2 des Induktionsofens, der von zwei isolierenden

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Seitenwänden 3 aus feuerfestem Material begrenzt wird, die die beiden Induktoren 4 abschirmen. In dem aus magnetischem Material bestehenden Joch eines jeden Induktors sind 24 horizontal angeordnete Aussparungen 5 vorgesehen, in denen 24 die Stromleiter der Induktorwicklungen bildende sogen. Roebel-Stromschienen verlegt sind, die hohl ausgebildet sind und Kanäle für den Durchfluß von Kühlwasser bilden. Die Induktoren werden von verschweißten Gerüsten 6 gehalten, die auf Schienen mittels Laufrollen 8 parallelverschiebbar angeordnet sind und von hydraulischen Schraubwinden 9 angetrieben werden. Die Bramme 1 ruht in dem Ofen auf einem kräftigen Sockel 10 aus isolierendem feuerfesten Material, auf den eine aus feuerfestem Stahl bestehende Kappe 11 aufgebracht ist. Die Kühlung der magnetischen Joche der Induktoren erfolgt mittels von einer Kühlflüssigkeit durchströmter Kanäle 12.

Jeder Induktor ist zweiphasig ausgebildet. Er weist 24 ineinandergreifend hintereinandergeschaltete Stromschienen, je Phase 12 Stromschienen auf, die die Wicklung bilden. Jede einzelne Windung der Wicklungen wird durch eine Stromschiene einer Nummer "i" und eine weitere Stromschiene mit der Nummer "i+12" gebildet, derart, daß die Stromrichtungen in zwei solchen, eine Windung bildenden Stromleitern einander entgegengesetzt sind.

Bei dem in Fig. 2 schematisch dargestellten vereinfachten

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Schaltplan sind die beiden Induktoren in derselben, zur Zeichnungsebene der Fig. 1 parallelen Ebene dargestellt, in die sie aus ihrer tatsächlichen, in Fig. 1 dargestellten Lage um 90° geschwenkt wurden. Jeder Induktor ist durch ein gestricheltes Rechteck dargestellt, jede horizontale Stromschiene entspricht tatsächlich insgesamt 6 der in Fig. 1 gezeichneten Stromschienen, die entweder parallel oder auch in Serie, vorteilhafterweise aber für große Stromstärken in Serie geschaltet sind. Die vier so gebildeten Phasonwicklungen sind nach Art einer Wheatstone'sehen Brücke miteinander verbunden, wie dies Fig. 3 zeigt.

Das Schaltsystem ist vollkommen symmetrisch. Die vier Phasenwicklungen bilden die vier Zweige einer ;/heatstone ' sehen Brücke, deren Widerstände komplex sind. Die beiden Phasen PHi und PH2 des Zweiphacengenerators sind jeweils an eine Diagonale der Brücke angeschlossen. Jeder Zweig der Brücke weist einen eigenen Widerstand Z und zusammen rr.it den drei anderen Zweigen gegenseitige, in Fig. 3 mit ZeL, Z/3, Z₅ eingezeichnete Widerstände (Kopplungswiderstände) auf. Die Kombination dieser verschiedenen komplexen Widerstände bewirkt, daß die 3rücke sich im Gleichgewicht befindet und daß von keiner der beiden Brückendiagonalen in die andere Diagonale gespeist wird.

Man kann mittels einer komplexen Rechnung zeigen, daß die Phasenströme I^ und I2 durch die Gleichungen

Il - Zi- und I₂ = ^V2 ^Zl ~

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gegeben sind, v/orin

Z₁ = Z + ZoL+ Z/3 + Zf und Z2 = Z - Zd. + Z# - Zr
ist.

Diese Resultate zeigen, daß der Strom in jeder Phase nur
von der einzigen Spannung dieser Phase abhängt, d.h. daß
jede Phase von der anderen Phase vollkommen entkoppelt ist. Hieraus resultiert, daß wenn die Spannungen V₁ und V 2 eine Phasenverschiebung von 90° im Leerlauf aufweisen, sie diese auch unter Belastung beibehalten, auch wenn die Leistungsfaktoren (cos 0) in den beiden Diagonalen verschieden sind und die Reaktanz des Transformators nicht vernachlassigber ist. Da darüberhinaus die reellen Anteile von Z₁ und Z2 verschieden sind, besteht zwischen den beiden Phasen ein Unterschied in ihrer Wirkleistung.

Die an den Enden der Brückendiagonalen anliegenden Spannungen sind durch folgende Vektorgleichungen gegeben:

^BA = "Vl ~~$2 und "^CB = "^l ⁺ ^2

Diese Gleichungen zeigen, daß die Vektoren V₁ und V2 bei Zweiphasen-Speisespannungen, d.h. bei einer Phasenverschiebung

von rP , einen rechten Winkel miteinander bilden, daß die
Amplituden Vqa ^{und V}CB ^den gleichen Viert aufweisen und die Spannungen an allen vier Zweigen im Gleichgewicht sind. Da die Leistungsfaktoren (cos 0) in den beiden Diagonalen jedoch unterschiedlich sind, sind die Ströme Tab und I_Bq in den

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Brückenzweigen nicht genau rechtwinklig zueinander und weisen auch nicht genau dieselbe Amplitude auf, wobei dieser Unterschied jedoch nicht erheblich ist und meist unter 10% liegt.

Fig. 4 zeigt, daß jede der zwölf ersten Stromschienen der beiden unter sich gleichen Induktoren mit einer bestimmten Nummer "i" in Serie mit einer Stromschiene der. Nummer "i+12" geschaltet ist, die ihrerseits mit der nachfolgenden Stromschiene "i+1" in Serie geschaltet sind. Die Phase AE wird somit durch die Stromschienen 1-6 und 13-18, die Phase BC durch die Stromschienen 7-12 und 19-24 gebildet.

Mit einem Induktionsofen, bei dem jeder der beiden Induktoren 24 Roebel-Stromschienen der Abmessungen 80 χ 2 7 mm aufwies, die in entsprechend großen Aussparungen 5 verlegt waren, die durch 23 mm breite Zähle magnetischen Materials voneinander getrennt waren, wurden Stahlbrammen mit den Abmessungen 250 χ 1200 χ 4000 mm und einem Gewicht von ungefähr 9 to aufgeheizt. Die Polteilung betrug 0,6 m, die effektive Stromstärke in jeder einzelnen Stromschiene 12.000 Amp bei 50 Hz. Der Luftspalt zwischen den Induktoren und der Bramme betrug 110 mm. Unter diesen Bedingungen betrug die auf eine Bramme von den beiden Induktoren übertragene wirksame Leistung 2,8 MW.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung be steht in dem elektrischen Gleichgewicht des Systems. Bei einem Induktor, der in üblicher Weise gespeist wird, beträgt das

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Verhältnis der Scheinwiderstände der Eingangsphase und der Ausgangsphase etwa 3, während die Leistungsfaktoren sich in der Größenordnung cos 0± - 0,14 und cos 02 = 0,03 bewegen.

Bei einem mit der erfindungsgemäßen Schaltung ausgerüsteten Induktionsofen ergaben sich folgende Werte:

Für die Leistungsfaktoren cos 0\ ~ 0,10 und cos 0₂ = 0,07, sowie für die Scheinwiderstände Z^ = 0,74-fi.und Z₂ = 0,84-ß·

Man sieht hieraus, daß das Ungleichgewicht beträchtlich reduziert wurde, da das Verhältnis der cos 0 sich von einem Wert von nahezu 5 auf einen Wert von 1,5 und das Verhältnis der Scheinwiderstände sich von einem V.^Tert von etv/a 3 auf einen Wert von etwa 1 verringert. Bezüglich der elektrischen Speisung kann das die erfindungsgemäße Schaltung aufweisende System somit als nahezu im Gleichgewicht befindlich bezeichnet werden.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung ist nicht an eine bestimmte Leistung der Induktoren gebunden, sie ist vielmehr von dieser und auch von der Zahl der Induktorpaare vollkommen unabhängig.

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Leerseite

Claims (3)

1. IRSID -X- A 12 086

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   Ansprüche

   Iy Schaltung für ein Paar von einen im wesentlichen quaderförraigen Raum begrenzenden ebenen Wanderfeld-Induktoren, insbesondere zur Aufnahme eines elektrisch leitenden, als Anker wirkenden Körpers, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Induktor (4) auf seiner wirksamen Seite eine gerade Zahl geradlinig angeordneter Stromleiter aufweist, die zwei zweiphasige, in der Mitte eines jeden Induktors (4) in Serie miteinander verbundene Schleifenwicklungen bilden, wobei der den Anfang der Wicklung eines jeden Induktors bildende Leiter mit dem das Ende der Wicklung des anderen Induktors bildenden Leiter verbunden ist, so daß eine in Wheatstone'scher Brückenschaltung geschlossene Gesamtwicklung gebildet wird, die von einem Zweiphasengenerator gespeist wird, dessen eine Phase an die Verbindungspunkte der beiden zweiphasigen Wicklungen eines Induktors (4) und dessen andere Phase an die Verbindungspunkte der beiden Induktoren (4) angeschlossen ist.
2. 2. Schaltung nach Anspruch l,dadurch gekennzeichnet , daß die Stromleiter eines jeden Induktors (4) so miteinander verbunden sind, daß zweiphasige,

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   ORIGINAL INSPECTED

   IRSID - 2 - Λ 12 006

   20.6.1377 i - kt

   in Serie geschaltete ,ineinandergreifende ν;'iclclungen mit verteilten Polen gebildet werden.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von jeweils paarweise in VTheat- stone¹scher Brückenschaltung angeordneten Induktorpaaren (4)

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