DE4135059A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen spannungssteuerung - Google Patents

Vorrichtung zur kontinuierlichen spannungssteuerung

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Gerhard Dr Gueth
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Description

Technisches Gebiet
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Steuerung einer elektrischen Spannung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der Zeitschrift: Proc. IEE, Vol. 126, No. 6, June 1979, S. 493-498, bekannt ist. Dort wird von J. Arrillaga und R. M. Duke unter dem Titel "Thyristor­ controlled quadrature boosting" ein thyristorgesteuerter Phasenschieber für eine elektrische Energie-Übertragung angegeben, bei dem ein 3Wicklungstransformator mit einem 1stufigen Zusatztransformator und einer Last in Reihe geschaltet ist. Dabei ist eine der 3 Wicklungen des 3Wicklungstransformators über einen thyristorgesteuerten Stromrichter mit einer Wicklung des Zusatztransformators verbunden, um über diesen eine Zusatzspannung mit der gewünschten Phasenlage zu einer Eingangsspannung vektoriell zu addieren.
Die Steuerung der Zusatzspannung erfolgt durch eine Phasenanschnittsteuerung, welche bei nur 1stufigem Zusatztransformator zu relativ starken Abweichungen von der Sinusform der Lastspannung und somit zu unerwünschten Oberschwingungen führt.
Aus der EP-A1-00 53 413 ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Steuerung des Phasenwinkels in elektrischen Energie-Übertragungseinrichtungen bekannt, bei der auf eine Hochspannungsleitung über einen Zusatztransformator eine Zusatzspannung induktiv addiert wird. Die Zusatzspannung setzt sich aus einer konstanten, von einem Erregertransformator stammenden Spannung, und einer kontinuierlich einstellbaren, in ihrer Phasenlage veränderlichen, gesteuerten oder geregelten Spannung aus einer Zusatzspannungsquelle zusammen. Dabei ist die Zusatzspannungsquelle über eine Brückenschaltung mit antiparallelgeschalteten Thyristoren sowie über einen nachgeschalteten selbstgeführten Wechselrichter mit dem Zusatztransformator verbunden. Als Zusatzspannungsquelle werden nach einer Potenzreihe abgestufte Sekundärwicklungen des Erregertransformators verwendet, welcher primärseitig an die Hochspannungsleitung angeschlossen ist.
Es ist nur ein Erregertransformator mit mehreren abgestuften Sekundärwicklungen vorgesehen, der für hohe Leistungen gut geeignet, aber für mittlere Leistungen im Bereich von 30 Mw-80 MW relativ aufwendig und teuer ist. Auch hier wird je Wechselstromphase nur ein Einzeltransformator als Zusatztransformator verwendet.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Steuerung einer elektrischen Spannung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß der Oberschwingungsanteil in der gesteuerten Spannung reduziert ist.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich die Lastspannung feiner einstellen und schnell an eine veränderliche Impedanz anpassen läßt.
Ein zur Spannungssteuerung verwendeter Wechselstromsteller braucht nicht für die volle Leistung der Last bemessen zu sein. Im Laststrom entstehen keine Strompausen, welche z. B. bei einem Elektroreduktionsofen einen unruhigen und instabilen Lichtbogenbetrieb und wegen der Lastschwankungen eine variable Blindleistung erzeugen könnten. Der Leistungsfaktor wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht verschlechtert.
Anstelle von netzkommutierten Stromrichtern sind zur Spannungssteuerung auch zwangskommutierte einsetzbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Gleichstrom-Lichtbogenofen mit einem Elektrodenregelkreis und einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Spannungssteuerung in einem Stromregelkreis,
Fig. 2 einen Drehstrom-Lichtbogenofen mit einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Spannungssteuerung gemäß Fig. 1 im Detail mit 3 Stromrichterblöcken,
Fig. 3 einen Stromrichterblock gemäß Fig. 2 mit 3 Teilstromrichtern sowie zugehöriger Strombypass­ und Überspannungsschutzschaltung,
Fig. 4 einen Teilstromrichter gemäß Fig. 3 und
Fig. 5 ein Spannungs-Signaldiagramm in Abhängigkeit von der Zeit.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Ofen- bzw. Netz- bzw. Haupttransformator (Tr) mit einer an ein 3phasiges Wechselstromnetz (1) mit einer Wechselspannung von 22 kV angeschlossenen Netzwicklung (W1), einer an eine Sekundärwicklung eines Zusatztransformators (ZT) angeschlossenen Lastwicklung (W2) und einer Zusatzwicklung (W3). Die Zusatzwicklung (W3) ist über einen elektronischen Stufenschalter bzw. einen steuerbaren Stromrichter (2) mit einer Primärwicklung des Zusatztransformators (ZT) verbunden. Die 3phasige Ausführung des Haupttransformators (Tr), des Stromrichters (2) und des Zusatztransformators (ZT) sind ausführlicher in Fig. 2 dargestellt.
Die Sekundärwicklung des Zusatztransformators (ZT) ist andererseits über einen Stromwandler (3) an den Wechselspannungseingang eines Dioden-Gleichrichters (5) angeschlossen. Die Gleichspannungsseite des Gleichrichters (5) ist über eine Drosselspule (6) mit einer 1. Elektrode bzw. Kathode (7) eines Lichtbogenofens (8) verbunden. Eine im Bodenbereich des Lichtbogenofens (8) angeordnete 2. Elektrode bzw. Anode (12) ist mit dem Pluspol des Gleichrichters (5) verbunden. Zwischen dem unteren Ende der Kathode (7) und einem mit (9) bezeichneten zu schmelzenden Gut bzw. Schrott sowie mit der Oberfläche einer Schmelze bzw. eines Schmelzbades (11) brennt ein Lichtbogen (10). (d) bezeichnet einen Elektrodenabstand bzw. den Abstand zwischen der Kathode (7) und dem Schmelzbad (11).
Mittels des Stromwandlers (3) in der Wechselstromzuleitung zum Gleichrichter (5) wird ein Stromistwertsignal (iist) detektiert und einem negierenden Eingang eines Vergleichers bzw. Summierers (13) zugeführt. Einem nichtnegierenden Eingang dieses Summierers (13) ist z. B. von einem nicht dargestellten Potentiometer ein vorgebbares Stromsollwertsignal (isoll) zugeführt. Ausgangsseitig ist der Summierer (13) mit einem Stromregler (14) mit Proportional-Integral-Charakteristik verbunden, welcher ausgangsseitig ein Gleichrichter-Stellgrößensignal (αist), entsprechend einem Zündwinkel, einem Zündimpulswandler (15) liefert, der ausgangsseitig den Stromrichter (2) steuert.
Das Gleichrichter-Stellgrößensignal (αist) ist über ein Dämpfungsglied bzw. ein Bandpaßfilter (16) zur Signalanpassung, Grenzwertüberwachung und Aussiebung unerwünschter Frequenzen mit einem negierenden Eingang eines Summierers (17) verbunden, dessen nichtnegierendem Eingang ein vorgebbares Elektrodenregler- Führungsgrößensignal (αsoll) entsprechend einem Zündwinkelsollwert im Bereich von 15°-50°, vorzugsweise im Bereich von 25°-35°, zugeführt ist. Ausgangsseitig ist der Summierer (17) mit einem Elektrodenregler (18) mit einer Proportionalcharakteristik verbunden, der ausgangsseitig über einen Ventilverstärker (19) auf ein Ventil (20) einer Elektrodenverstelleinrichtung (21) wirkt. Die Elektrodenverstelleinrichtung (21), z. B. eine hydraulische Pumpe mit einer Verstellmechanik und einem Elektrodengeschwindigkeitsregler, ist mechanisch mit der Kathode (7) gekoppelt und ermöglicht deren Höhenverstellung; sie wirkt als ein Verzögerungsglied 1. Ordnung.
Die Elektrodenregelung arbeitet etwa 10mal langsamer als die Stromregelung. Die Höhenverstellung der Kathode (7) erfolgt so, daß der Gleichrichter (5) im Mittel mit einer Aussteuerung von z. B. 25°el. arbeitet, unabhängig von der Sekundärspannung des Ofentransformators (2) und vom eingestellten Stromsollwert (isoll). Der Einfachheit halber sind Werte und ihnen zugeordnete Signale gleich bezeichnet.
Die vom Bandpaßfilter (16) auszusiebenden Frequenzen umfassen Frequenzen ,im Bereich von 0,5 Hz-20 Hz.
In Fig. 2 sind die 3 Phasen des Wechselstromnetzes (1) mit (A), (B) und (C) bezeichnet. Der Haupttransformator (Tr) weist e Phase (A, B, C) einen gleich aufgebauten Teiltransformator (TrA, TrB, TrC) auf, wobei diese Teiltransformatoren netzseitig, d. h. mit ihren Netzwicklungen (W1), an die Phasen (A, B) bzw. (B, C) bzw. (C, A) angeschlossen sind. Jeder Teiltransformator (TrA, TrB, TrC) weist eine Lastwicklung (W2) auf, an der im Betrieb eine sinusförmige Wechselspannung bzw. eine effektive Eingangsspannung (U) von 700 V abgreifbar ist, und eine Zusatzwicklung (W3), an der lastfrei eine Spannung von 3 kV abgreifbar ist. Die Netzwicklung (W1) ist für eine Leistung von 30 MVA ausgelegt, während die Lastwicklung (W2) und die Zusatzwicklung (W3) für je 15 MVA ausgelegt sind, bei einem effektiven Strom je Wechselstromphase (A, B, C) von < 2,9 kA.
Die 3 Lastwicklungen (W2) sind einerseits direkt an je eine Drehstromelektrode (7) des Lichtbogenofens (8) und andererseits über je 3 in Reihe geschaltete Sekundärwicklungen eines zur jeweiligen Wechselstromphase gehörenden Teil-Zusatztransformators (ZTA, ZTB, ZTC) des Zusatztransformators (ZT) an eine zyklisch benachbarte Drehstromelektrode (7) angeschlossen. Jeder Teil- Zusatztransformator (ZTA, ZTB, ZTC) besteht aus 3 magnetisch entkoppelten Einzeltransformatoren (ZT1A, ZT1B, ZT1C) mit je einer Primär- bzw. Speisewicklung (ZW1A, ZW2A, ZW3A) und je einer Sekundär- bzw. Addierwicklung (ZW1A′, ZW2A′, ZW3A′), die in ihrem Übersetzungsverhältnis gemäß einer geometrischen Reihe abgestuft sind. Die Abstufung könnte auch nach einer Potenzreihe erfolgen. Die Wicklungsbezeichnungen sind für den Teil- Zusatztransformator (ZTA) angegeben; bei den Teil- Zusatztransformatoren (ZTB, ZTC) wäre in den Bezeichnungen der Buchstabe A durch B bzw. C zu ersetzen. Mittels der Addierwicklungen (ZW1A′, ZW2A′, ZW3A′) können Teil- Zusatzspannungen bis zu 46 V bzw. 138 V bzw. 414 V, d. h. insgesamt eine Zusatzspannung (UZ) bis zu 598 V vektoriell zur 700-V-Spannung (U) addiert werden. Die Übersetzungsverhältnisse der Teil-Zusatztransformatoren (ZTA, ZTB, ZTC) sind 3000 : 46 bzw. 3000 : 138 bzw. 3000 : 414.
Insgesamt läßt sich damit eine Lastspannung bzw. eine resultierende Wechselspannung U′ = U + UZ, vgl. Fig. 5, im Bereich von
700 V - 598 V = 102 V U′ 1298 V = 700 V + 598 V
in Schritten von 46 V einstellen, wenn die Thyristoren des aus 3 Stromrichterblöcken (2.1, 2.2, 2.3) bestehenden Stromrichters (2) in der Nähe eines Spannungnulldurchganges gezündet werden. Arbeitet man in der niedrigsten Zusatzspannungsstufe mit einer Phasenanschnittsteuerung, so kann die Spannung kontinuierlich verändert werden, wobei geringe Oberschwingungen in Kauf zu nehmen sind. In diesem Fall wird der kleinste Einzeltransformator (ZT1A) in seiner Größe und Sekundärspannung verdoppelt mit einem Übersetzungsverhältnis 3000 : 92 und einer Leistung von 770 kVA. Seine Sekundärspannung kann dann kontinuierlich von 0 V-92 V verändert werden.
Jeder Stromrichterblock (2.1, 2.2, 2.3) besteht aus 3 steuerbaren Teilstromrichtern, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur diejenigen (2.1A, 2.2A, 2.3A) bezüglich der Wechselstromphase (A) bezeichnet sind. Zur Begrenzung von Kurzschlußströmen sind in Zuleitungen (LA, LB, LC) von den 3 Zusatzwicklungen (W3) zu den Stromrichterblöcken (2.1) und (2.2) Strombegrenzungsdrosseln (L) vorgesehen. Mit (22) sind mechanische Schalter in den Stromrichterblöcken bezeichnet, die in einem stromrichter-Störfall verhindern sollen, daß die angeschlossenen Transformatorwicklungen offen bleiben und unzulässige Überspannungen auftreten können.
Fig. 3 zeigt in einem Ausschnitt von Fig. 2 den Stromrichterblock (2.1) mit einer daran angeschlossenen Strombypassschaltung (24) und einer an die Zuleitungen (LA, LB, LC) sowie an die Strombypassschaltung (24) angeschlossenen Überspannungsschutzeinrichtung (23). Mit (R1) und (R2) sind Widerstände und mit (C1) ein Kondensator der Überspannungsschutzeinrichtung (23) bezeichnet. Der Kondensator (C1) wird durch den Widerstand (R2) auf einen vorgebbaren Sollwert entladen. Der mit einem Überspannungsthyristor in Reihe geschaltete Widerstand (R1) entlädt den Kondensator (C1), wenn der Überspannungsthyristor bei einer Überspannung zündet.
Fig. 4 zeigt in einem Ausschnitt von Fig. 3 eine steuerbare Ventilschalteinrichtung bzw. den kleinsten steuerbaren Teilstromrichter (2.1A), wobei mit (25) eine Zusatzspannungsquelle (Zusatzwicklung (W3) in Reihe mit einer Drossel (L)) bezeichnet ist. Mit (D1, D1′, D2, D2′) sind Dioden der Strombypassschaltung (24) zur Wechselstromphase (A) bezeichnet und mit (T1, T1′) bzw. (T2, T2′) bzw. (T3, T3′) bzw. (T4, T4′) zueinander antiparallele Thyristoren einer Brückenschaltung des Teilstromrichters (2.1A).
Ein Stromfluß durch die Speisewicklung (ZW1A), die Dioden (D2) und (D1′) sowie den Widerstand (R2) unmittelbar nach einem Spannungsnulldurchgang einer von der Zusatzspannungsquelle (25) herrührenden Wechselspannung ist stark ausgezogen und durch Pfeile gekennzeichnet. Dabei sperren die Thyristoren (T1-T4′) des Teilstromrichters (2.1A), und der Einzeltransformator (ZT1A) wirkt als Stromwandler.
Zündet man danach die Thyristoren (T1′) und (T3′), so kommutiert der Strom durch die Dioden (D2, D1′) auf einen Freilaufkreis durch diese beiden Thyristoren, wobei der Einzeltransformator (ZT1A) dem Leistungskreis noch immer keine Zusatzspannung einprägt. Erst wenn der Thyristor (T4′) gezündet wird, kommutiert der Strom durch den Thyristor (T3) auf einen Strompfad durch die Zusatzspannungsquelle (25) und den Thyristor (T4′), wodurch dem Leistungskreis durch die Last bzw. die Drehstromelektrode (7) eine Zusatzspannung (UZ) eingeprägt wird. Bei entgegengesetzter Stromrichtung würden im Freilauf die Thyristoren (T2) und (T4′) leitend sein und danach der Thyristor (T1) gezündet werden, so daß der Strom vom Freilauf in einen Stromkreis durch die Zusatzspannungsquelle (25) kommutiert.
Durch die Möglichkeit, die Teil-Zusatztransformatoren (ZTA, ZTB, ZTC) von der 3-kV-Seite her im Bypassbetrieb zu betreiben, erübrigt sich ein Schalter auf deren Hochstromseite. Für den Fall, daß ein mechanischer Schalter (22) im Stromrichter (2) geschlossen ist, können die Thyristoren des zugeordneten Teilstromrichters, z. B. (2.1A), nicht gezündet werden.
Der Lichtbogenofen (8) soll bei einem Leistungsfaktor 0,9 betrieben werden, wobei Strom und Spannung beim Betrieb der Thyristoren des Stromrichters (2) weitgehend übereinstimmen. Nach einem Stromnulldurchgang vergeht etwa 1 ms, bis der für den jeweiligen Bypass im Stromrichter (2) in Betracht kommende Thyristor gezündet wird. Während dieser Zeitdauer kommutiert der Strom in die Strombypassschaltung (24), die den Spannungsbegrenzungskondensator (C1) auflädt. Nach 1 ms ist die Gegenspannung ausreichend zum Löschen des früher leitenden Thyristors, und ein anderer Thyristor kann gezündet werden.
Die Thyristoren sind wassergekühlt; ihre Zündimpulse werden mittels eines Impulstransformators erzeugt. Mittels eines schnellen Mikroprozessors (nicht dargestellt) kann der Zündwinkel für die Thyristoren innerhalb von ca. 1,4 ms verändert werden.
Es versteht sich, daß anstelle von 3 Einzeltransformatoren je Teil-Zusatztransformator (ZTA, ZTB, ZTC) auch 2 oder 4 eingesetzt werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen Steuerung einer elektrischen Spannung eignet sich besonders zum Betrieb von Lichtbogenöfen (8), bei denen zur Gewährleistung eines konstanten Lichtbogenstromes die Lastspannung (U′) schnell verändert werden muß. Am Beginn des Schmelzvorganges ist die Lastspannung sehr niedrig, etwa 100 V. Wenn genügend Schmelze (11) vorhanden ist, steigt die Lastspannung auf 500 V-700 V. Um zwischenzeitlich einen starken Lichtbogen entwickeln zu können, werden Spannungen bis 1,2 kV benötigt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann natürlich auch in Verbindung mit einem Phasenschieber gemäß der eingangs genannten Veröffentlichung in Proc. IEE, Vol. 126, No. 6 (1979), S. 493-498, verwendet werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Steuerung einer elektrischen Spannung bzw. Lastspannung (U′)
  • a) mit einem ein- oder mehrphasigen Netz- bzw. Haupttransformator (Tr, TrA-TrC),
  • b) der je Wechselstromphase (A-C) mindestens eine Netzwicklung (W1),
  • c) eine Lastwicklung (W2) und
  • d) eine Zusatzwicklung (W3) aufweist,
  • e) wobei die Lastwicklung (W2) mit mindestens einer Sekundär- bzw. Addierwicklung (ZW1A′, ZW2A′, ZW3A′) eines Zusatztransformators (ZT, ZTA-ZTC) in Reihe geschaltet ist und
  • f) die Zusatzwicklung (W3) über mindestens eine steuerbare Ventilschalteinrichtung bzw. einen steuerbaren Stromrichter (2, 2.1-2.3) mit mindestens einer Primär- bzw. Speisewicklung (ZW1A, ZW2A, ZW3A; ZW1B, ZW1C) des Zusatztransformators (ZT) in Steuerverbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
  • g) daß der Zusatztransformator (ZT) je Wechselstromphase (A-C) mehrere magnetisch entkoppelte Einzeltransformatoren (ZT1A-ZT3A) aufweist,
  • h) deren Addierwicklungen (ZW1A′, ZW2A′, ZW3A′) elektrisch in Reihe geschaltet sind und
  • i) deren Speisewicklungen (ZW1A, ZW2A, ZW3A) über je eine separate steuerbare Ventilschalteinrichtung bzw. je einen separaten steuerbaren Teilstromrichter (2.1A-2.3A) mit derselben Zusatzwicklung (W3) des Haupttransformators (Tr, TrA-TrC) in Steuerverbindung stehen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeltransformatoren (ZT1A-ZT3A) des Zusatztransformators (ZT, ZTA-ZTC) unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzungsverhältnisse der Einzeltransformatoren (ZT1A-ZT3A) des Zusatztransformators (ZT, ZTA-ZTC) nach einer geometrischen oder einer Potenzreihe abgestuft sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder steuerbare Teilstromrichter (2.1A-2.3A) mit einer ungesteuerten Strombypassschaltung (24) in elektrischer Verbindung steht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder steuerbare Stromrichter (2, 2.1-2.3) mit einer Überspannungsschutzeinrichtung (23) in elektrischer Verbindung steht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Stromrichter (2, 2.1-2.3) mit einem Stromregler (14) in Steuerverbindung steht, der den steuerbaren Stromrichter in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Laststromsollwert (isoll) regelt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine steuerbare Stromrichter (2, 2.1-2.3) praktisch ohne Phasenanschnittsteuerung betrieben wird, derart, daß ein Ein- oder Ausschalten der steuerbaren Ventile (T1-T4′) des Stromrichters (2) bei einem Phasenwinkel von etwa 0°el. oder 180°el. erfolgt.
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