DE2730496C2 - Schaltungsanordnung für ein Paar von ebenen Wanderfeldinduktoren - Google Patents

Description

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter eines jeden Induktors (4) so miteinander verbunden sind, daß zweiphasige, in Serie geschaltete, ineinandergreifende Wicklungen mit verteilten Polen gebildet werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von jeweils paarweise in Wheatstone'scher Brückenschaltung angeordneten Induktomaaren (4).

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für elektromagnetische Mehrphaseninduktoren, die wie bei sogen. Linearmotoren magnetische Wanderfehler erzeugen, wie sie insbesondere bei Induktionsöfen zur Aufheizung von ebenflächigen elektrisch leitenden Körpern Verwendung finden.

Es ist bekannt, daß bei der Verwendung der vorgenannten Mehrphaseninduktoren, 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 Ausgleichs 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 — an dem Ende, an dem das Wanderfeld in das System eintritt, — speist, während die Phase am Austritt des Induktors auf Grund einer nahezu verschwindenden Arbeitsleistung nur eine geringe Belastungaufweist.

Bei einem Dreiphaseninduktor ist die Störung des elektrischen Ausgleichs 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 zwischen der Funktion dieser beiden äußersten Enden unterscheiden muß, deren eines am Eintritt und deren anderes am Austritt 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 zuf anderen Phase bezüglich der äußeren Enden symmetrische Lage

ίο einnehmen kann. Andererseits wird das elektromagnetische Ungleichgewicht dadurch aufrechterhalten, daß die

Ströme eine Phasenverschiebung von -y- aufweisen, so daß das Wanderfeld am einen Ende eintritt und am anderen Ende austritt

Aus DE-PS 4 04 606 ist eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Metallbändern mittels eines von einer Schleifenwicklung eines linearen Dreiphasenmotors erzeugten Wanderfeldes bekannt Diese Vorrichtung weist jedoch aufgrund des erzeugten Wanderfeldes die Nachteile einer ungleichen Belastung der drei Phasen auf.

Aus DE-PS 9 02 767 ist eine Anordnung einer Mehrphasenwicklung im Boden eines metallurgischen Ofens bekannt, mittels der in der Schmelze durch induzierte Wirbelströme eine «Rührwirkung erzielt wird. Auch bei dieser Anordnung tritt ein erhebliches elektrisches Ungleichgewicht auf, da die die beiden äußeren Spulen speisende Phase des Wechselstroms doppelt so stark belastet ist, wie die die mittlere Spule speisende Phase.

Aus DE-PS 7 56 749 ist eine Anordnung zur Erzeugung eines Wanderfeldes in einem Induktionsofen bekannt, bei der, um die Strömungserscheinungen im flüssigen Ofengut regeln zu können, die Größe der die Ofenwandung umgebenden Ringspulen speisenden Spannungen und/oder ihre Phasenlage zueinander beliebig regelbar sind.

Aus DE-Z »Elektrowärme« Band 25 Nr. 10, S. 388 bis 394 ist eine der vorhergehenden Anordnung ähnliche Anordnung bekannt, bei der zur Erzeugung einer Badbewegung in einer Pfanne an deren Umfang vier von einem Zweiphasensystem gespeiste, zwei Schleifenwicklungen bildende Teilspulen angeordnet sind. Auch bei dieser Anordnung besteht infolge der Phasenverschiebung um -y· eine nachteilige ungleiche Belastung der beiden Phasen.

Dies trifft auch auf eine aus der US-PS 19 50 627 bekannte Anordnung zum öffnen und Schließen von Türen zu, bei der zwei von einem Zweiphasensystem gespeiste Induktoren sich überlappende Schleifenwicklungen aufweisen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Paar von ebenen Wanderfeldinduktoren schaltungsgemaß so anzuordnen, daß sowohl die Netz-Phasen gleichmäßig belastet als auch die Leistungsfaktoren verbessert werden, kann mit keiner dieser bekannten Anordnungen gelöst werden und wurde dem Fachmann durch diese auch nicht nahegelegt.

eo Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mittels einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Schaltungsanordnung ergeben sich aus den beiden Unteransprüchen.

Der Erfindung liegen Überlegungen unter zwei verschiedenen, einander vollkommen komplementären Gesichtspunkten zugrunde. Die Überlegung unier dem ei-

nen Gesichtpunkt besteht darin, 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. Die Überlegung unter dem zweiten Gesichtspunkt besteht darin, die vier Wicklungen in einer abgeglichenen Wheatstone'schen 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 der einen Phasenwicklung in die andere stattfindet Diese beiden Maßnahmen wirken eng dahingehend zusammen, in einem kurzen elektromagnetischen Mehrphasensystem mit einer geringen Zahl von Polen und einer abgeglichenen Mehrphasenspeisung, d. h. ohne daß Gegenströroe einer nennenswerten Stärke auftreten, ein Wanderfeld hoher Feldstärke zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Schaltung macht es notwendig, daß die Induktoren aus einem Zweiphasen-Nsfz 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 räumliche und auch eine elektromagnetische Symmetrie erreichen.

Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich für die verschiedensten Anwendungen elektromagnetischer 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 Faii 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 Induktionsöfen und sonstigen Einrichtungen zur thermischen Behandlung von Stoffen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung bei einem schematisch dargestellten Induktionsofen für die Erhitzung metallurgischer Produkte wiedergegeben. Es ze;.;jt

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen zwei ebene Wanderfeldinduktoren aufweisenden Induktionsofen;

F i g. 2 das prinzipielle Schaltschema zweier in Brükkenschaliung angeordneter Induktoren;

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

F i g. 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 in· duktoren.

Eine hochkantstehende Stahlbramme 1 befindet sich in einem Heizkanal 2 des Induktionsofens, der von zwei isolierenden 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 Ku-'näle für den Durchfluß von Kühlwasser bilden. Die Induktoren werden von verschweißten Gerüsten 6 gehalten, die auf Schienen 7 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 »/+12« gebildet derart, daß die Stromrichiuikgen in zwei solchen, eine Windung bildenden Stromleitern einander entgegengesetzt sind.

Bei dem in F i g. 2 schematisch dargestellten vereinfachten Schaltplan sind die beiden Induktoren in derselben, zur Zeichnungsebene der F i g. 1 parallelen Ebene dargestellt in die sie aus ihrer tatsächlichen, in F i g. 1 dargestellten Lage um 90° geschwenkt wurden. Jeder Induktor ist durch ein gestricheltes Rechteck dargestellt, jede horizontale Stromschiene entspricht tatsächlich insgesamt 6 der in F i g. 1 gezeichneten Stromschienen, die entweder parallel oder auch in Serie geschaltet sind. Die vier so gebildeten Phasenwicklungen sind nach Art einer Wheatstone'schen Brücke miteinander verbunden, wie dies F i g. 3 zeigt

Das Schaltsystem ist vollkommen symmetrisch. Die vier Phasenwickiungen bilden die vier Zweige einer Wheatstone'schen Brücke, deren Widerstände komplex sind. Die beiden Phasen PH\ und PH₂ des Zweiphasengenerators sind jeweils an eine Diagonale der Brücke angeschlossen. Jeder Zweig der Brücke weist einen eigenen Widerstand Z und zusammen mit den drei anderen Zweigen gegenseitige, in F i g. 3 mit Za, Zß, Zy eingezeichnete Widerstände (Kopplungswiderstände) auf. Die Kombination dieser verschiedenen komplexen Widerstände bewirkt, daß die Brücke sich im Gleichgewicht befindet und daß von keiner der beiden Brückendiagonalen in die andere Diagonale gespeist wird.

Man Ikann mittels einer komplexen Rechnung zeigen, daß die Phasenströme I\ und h durch die Gleichungen

gegeben sind, worin

Z₁ = Z + Za + Zß+ Zy
und

Z₂ = Z- Zx ±Zß- Zy

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 Vi und V₂ eine Phasenverschiebung von 90° im Leerlauf aufweisen, sie diese auch unter Belastung bei-

behalten, auch wenn die Leistungfaktoren (cos Ψ) in den beiden Diagonalen verschieden sind und die Reaktanz des Transformators nicht vernachlässigbar ist. Da darüberhinaus die reellen Anteile von Zi 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:

nem Wert von etwa 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.

und

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Diese Gleichungen zeigen, daß die Vektoren V₁ und V₇ bei Zweiphasen-Speisespannungen, d. h. bei einer

Phasenverschiebung von -γ, einen rechten Winkel mit-

ciuaiiuct

, daß die Amplituden V_BA und

r den

gleichen Wert aufweisen und die Spannungen an allen vier Zweigen im Gleichgewicht sind. Da die Leistungsfaktoren (cos Θ) in den beiden Diagonalen jedoch unterschiedlich sind, sind die Ströme Ub und Iac in den Brükkenzweigen nicht genau rechtwinklig zueinander und weisen auch nicht genau dieselben Amplitude auf, wobei dieser Unterschied jedoch nicht erheblich ist und meist unter 10% liegt.

F i g. 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 »/+1« in Serie geschaltet sind. Die Phase AB wird somit durch die Stromschienen 1 —6 und 13—18, die Phase BCdurch die Stromschienen 7—12 und 19—24 gebildet.

Mit einem Induktionsofen, bei dem jeder der beiden Induktoren 24 Roebel-Stromsehienen der Abmessungen 80 χ 27 mm aufwies, die in entsprechend großen Aussparungen 5 verlegt waren, die durch 23 mm breite Zähne 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 A 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 besteht in dem elektrischen Gleichgewicht des Systems. Bei einem Induktor, der in üblicher Weise gespeist wird, beträgt das Verhältnis der Scheinwiderstände der Eingangsphase und der Ausgangsphase etwa 3, während die Leistungsfaktoren sich in der Größenordnung cos θ\ = 0,14 und cos O₂=0,03 bewegen.

Bei einenrmit der erfindimgsgemäßen Schaltung ausgerüsteten Induktionsofen ergaben sich folgende Werte:

Für die Leistungsfaktoren cos Oj=O₁IO und cos 02=0,07.

sowie für die Scheinwiderstände Z\ = 0,74 Ω und Z₂=0.84 Ω.

Man sieht hieraus, daß das Ungleichgewicht beträchtlieh reduziert wurde, da das Verhältnis der cos θ sich von einem Wert von nahezu 5 auf einen Wert von 1,5 und das Verhältnis der Scheinwiderstände sich von ei-

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für ein Paar von ebenen Wanderfeldinduktoren, insbesondere für einen Induktionsofen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Schleifenwicklung eines jeden Induktors (4) in der Mitte (B, B') angezapft ist,

b) jeder Wicklungsanfang (A, A') des einen Induktors (4) mit dem Wicklungsende (C, C) des anderen Induktors (4) elektrisch verbunden ist so daß ein in Wheatstone'scher Brückenschaltung geschlossene Gesamtwicklung gebildet wird, und

c) die Brücke durch einen Zweiphasen-Generator gespeist wird, dessen Phasen jeweils an eine Brück<ndiagonale angeschlossen sind.