DE576372C - Vorrichtung zur Regelung elektrischer Lichtbogenoefen - Google Patents

Description

Die automatische Regulierung eines elektrischen Lichtbogenofens hat den Zweck, die in dem Ofen verbrauchte Nutzleistung auf einen bestimmten Wert zu halten, der entsprechend den Bedürfnissen des jeweiligen metallurgischen Prozesses durch das bedienende Personal jederzeit verändert werden kann.

Bei den elektrischen öfen, bei welchen Schrott oder elektrische Leiter, die man in den Ofen im festen Zustand einsetzt, als Ausgangsmaterial verwendet werden, entspricht die Schmelzperiode des Ausgangsmaterials einem im hohen Grade gestörten Betrieb, weil die aufgenommene Leistung fortwährend zwischen Null und dem Doppelten bis Dreifachen des als Konstante gewählten Wertes schwankt. In diesem Fall soll der Regulator so ausgeführt sein, daß er die Schwankungen der aufgenommenen Leistung nicht nur in ihrer Dauer, sondern auch in ihrer Größe vermindert.

Um dieses zu erreichen, soll der Regulator gewisse Eigenschaften besitzen, und zwar soll derselbe besonders sehr rasch, arbeiten, wobei die Reguliergeschwindigkeit der zu beseitigenden Störung entsprechen soll; ferner soll die Empfindlichkeit groß· sein; endlich soll der von dem Regulator betätigte Werkteil der zu beherrschendenLeistungsänderung unverzüglich folgen. Um die von dem Ofen aufgenommene Leistung zu ändern, verfügt man nur über ein einziges Mittel, nämlich die Änderung der Lichtbogenlänge I, wobei sich die Stromstärke und somit die aufgenommene Leistung aber umgekehrt mit I ändern.

Zum Regeln von Lichtbogenöfen wurden bisher entweder Reguliervorrichtungen mit konstanter Stromstärke oder Reguliervorrichtungen mit konstantem Potentialunterschied benutzt. Die vollkommensten dieser Apparate sind diejenigen, bei denen die der Elektrode mitgeteilte Verschiebungsgeschwindigkeit von der Größe der jeweilig auftretenden Störung abhängt. Unter den elektrischen Vorrichtungen sei hier auf die Verwendung der Gruppe Ward-Leonhard hingewiesen, die in Verbindung mit einem 4-5 die Erregung des Generators besagter Gruppe kontrollierenden Apparat arbeitet. Der Motor treibt die Winde der zu regelnden Elektrode. Der in dieser Weise die Erregung der Ward-Leonhard-Gruppe kontrollierende Apparat bildet das Regelorgan.

Dieses Regelorgan kann in verschiedenen Formen zur Ausführung gelangen: mit vibrierendem Kontakt Tirril, mit rheostatischem Kontakt nach der britischen Patentschrift 113 827, ohne Kontakt durch Kenetronbenutzung nach der deutschen Patentschrift 385656.

Solche Regulatoren haben ohne Rücksicht auf das zur Verwendung gelangende System schwere Nachteile, wenn es sich darum handelt, Öfen zu regulieren, welche hintereinandergeschaltete Lichtbogen oder Drehstromlichtbögen in Sternschaltung erhalten. Diese Nachteile treten bei dem gleichzeitigen Erlöschen mehrerer hintereinander- oder in Stern geschalteter Lichtbogen auf. In diesem Fall werden die betreffenden Elektroden gesenkt, und eine derselben taucht so lange in den Schrott ein, bis eine andere Elektrode in Berührung mit dem Schrott kommt und den Lichtbogen wieder zündet; wenn dieses Wiederzünden zu spät erfolgt, so taucht die erste Elektrode noch tiefer ein, kommt zum Aufsitzen und bricht. Außerdem sind bei dem Wiederzünden des Lichtbogens bedeutende Überstromstärken zu befürchten.

Bei gewissen Regulatoren liegen die Elektroden einfach mit ihrem ganzen Gewicht auf dem Schrott oder bei geschmolzenem Metall auf dem Herd auf; bei Verwendung des Differentialsystems hört die Bewegung der Elektroden auf, wenn diese auf der im Herd vorgesehenen Kontaktvorrichtung fest aufsitzen; aber in gewissen Fällen wird der Kontaktwiderstand so groß sein, daß die Elektrode nicht sofort bei der ersten Berührung stillsteht.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Regulator mit indirekter Wirkung, der sich einerseits durch die Verwendung einer zur Sicherung einer vorzüglichen Regulierung der hintereinander- oder bei Mehrphasenstrom in Stern geschalteten Lichtbogen bestimmten Regulierungsformel, andererseits dadurch kennzeichnet, daß die Wirkung dieses Regulators derart allmählich erfolgt, daß bei geringen Störungen eine langsame, dagegen bei bedeutenden Störungen eine große Geschwindigkeitsverschiebung bewirkt wird.

Bei den angeführten Ausführungsbeispielen kennzeichnet sich auch dieser Regulator durch die Verwendung von Gleichstrom als Energiehilfsquelle, wodurch es möglich ist, unter Verwendung der gewählten Regulierungsformel einen Regulator mit allmählicher Wirkung in bequemer Weise auszuführen. Im übrigen ist jedoch die Wahl von Gleichstrom nicht unbedingt nötig.

Dieser Regulator ist dazu bestimmt, die Regulierung der Lichtbogen und insbesondere der in Serie oder Stern geschalteten Lichtbogen zu gewährleisten. Wie weiter unten erwähnt, ist es bei Verwendung dieses Regulators möglich, einerseits eine sehr rasche Bewegung der Elektroden bei schweren Kurzschlüssen zu erhalten, andererseits das Eindringen der Elektroden in den Schrott oder das Schmelzbad (wodurch das Bad Kohlenstoff aufnimmt) bei dem Wiederzünden eines Lichtbogens in jedem Fall zu vermeiden.

Die Geschwindigkeit, mit der die Bewegung der Elektrode gemäß der Erfindung erfolgen soll, ist durch folgende Gleichung gegeben:

v^f{U, J) = a{U]-hm-o,

worin a, b, 0 Konstanten sind, [U] der absolute Betrag der Spannungsdifferenz zwischen Elektrode und Herd und [/] der absolute Betrag des Stromes in der Elektrode. Diese Formel bedeutet, daß die Bewegung der Elektrode von dem Wert der Funktion f'[U,J) in der Weise abhängig ist, daß die Elektrode bei f (U, J) > ο sich um so rascher senkt, je größer diese Funktion ist, während sie bei f (U, J) <Zo um so schneller wieder steigt, je größer der absolute Wert dieser Funktion ist, und endlich bei f (U, J) = 0 unbeweglich bleibt; jedenfalls erfolgt die Bewegung der Elektrode in einer solchen Richtung, daß der normale Betrieb des Lichtbogens wieder zustande kommt, so daß der Wert der Funktion f (U, J) gleich Null wird.

Es ist bereits bekannt, die Geschwindigkeit, mit der die Elektroden bewegt werden, proportional der Differenz zweier Spannungen zu wählen, deren eine eine Funktion des Elektrodenstromes, deren andere eine Funktion der Elektrodenspannung ist. Bei dieser Anordnung treten jedoch Phaseneinflüsse auf, die störend wirken. Der störende Einfluß der Phase wird bei der Erfindung dadurch vermieden, daß dem absoluten Betrage der Wechselspannung und des Wechselstromes proportionale Gleichströme in die Gleichung für die Geschwindigkeit ν eingehen.

Man kennt auch Vorrichtungen, bei denen der störende Einfluß der Phase vermieden wird. Damit aber bei diesen Vorrichtungen die Elektrode bei Stromlosigkeit unbeweglich bleibt, muß zwischen ihr und der Sohle ein glatter Kontakt vorhanden sein.

Durch die Konstante c, welche erfindungsgemäß in die Gleichung eingeführt wird, wird dagegen erreicht, daß die Elektrode auch dann stillsteht, wenn der Übergangswiderstand zwisehen Elektrode und Bad beim Berühren des Einsatzes nicht verschwindend klein ist.

Nachstehend wird die Arbeitsweise dieses Regulators bei in Serie oder Stern geschalteten Lichtbogen in einem besonderen Arbeitsfall betrachtet.

Falls die Lichtbogen gleichzeitig unterbrochen werden, senken sich die betreffenden Elektroden unter der Wirkung ihres Regulators, da f (U, J) = a [U] — c > ο, und sobald eine Elektrode mit demEinsatz in Berührung kommt, selbstwennder Kontakt nicht vollkommen ist, so steht dieselbe still, da der Kontakt stets genügt, um U auf einen solchen Wert herabzusetzen, daß f (U, J) — a U — c ■< 0, wenn c entsprechend gewählt wurde, so daß, wenn eine andere Elektrode mit dem Ofeneinsatz in Berührung kommt, der

Lichtbogen sofort überspringt und die Überstromstärke möglichst gering ist, da die erste Elektrode im Augenblicke des Wiederzündens des Lichtbogens (ohne dabei isoliert zu sein) mit dem Ofeneinsatz noch einen schlechten Kontakt bildet. Hieraus ergeben sich die wichtigsten Vorteile dieses Regulators über die bisherigen Ausführungen : zuerst wird ein Bruch der Elektroden vermieden, dann werden die Überstromstärken

ίο bei dem Überspringen des Lichtbogens in passenden Grenzen gehalten. Besonders in dieser zweiten Beziehung unterscheidet sich deutlich diese Regulierung von der Regulierung mit gleichbleibender Impedanz.

Der Wert der Erfindung liegt in dem Umstände, daß sie gestattet, bei öfen mit isolierter Herdplatte die Vorteile rascher Regulierung in Einklang zu bringen mit der Notwendigkeit direkter Bogenzündung über den Schrott. Im

ao Prinzip kann man dies erreichen durch Benutzung irgendeines der mit einer Leonhard-Gruppe ausgerüsteten Regulatoren, indem man die eine der Erregerspulen des Generators mittels des üblichen Kontrollorgans und die andere mittels eines ähnlichen, aber unter dem Einfluß des Potentialunterschiedes zwischen der Elektrode und dem Herd stehenden Kontrollorgans speist. Außerdem bedient man sich einer Vorrichtung zur Erzeugung der dem Wert c der benutzten Regulierformel entsprechenden elektromotorischen Kraft, z, B. einer dritten kleinen, mit konstanter Spannung gespeisten Erregerspule. Durch die in dieser Weise durchgeführte Verdopplung der Kontrollorgane wird der Regler völlig umgewandelt und durch zum Regeln von Öfen mit in Serie geschalteten Bögen oder von sog. Mehrphasen-Lichtbogenöfen geeignet gemacht.
Aus dem nachfolgenden Beispiel geht deutlich hervor, in welcher Weise durch Benutzung der an sich bekannten Ward-Leonhard-Gruppe der neue Regler zustande kommt.

Eine dieser Ausführungsformen ist in Abb. 1 der Zeichnung für eine Elektrode eines Drehstromlichtbogenofens dargestellt. Der Regulator besteht aus folgenden Elementen:

1. einem Stromtransformator Tj;

2. einem Spannungstransformator Tu',

3. einem Apparat Rj, welcher dazu bestimmt ist, einen von dem vom Stromtransformator gelieferten Wechselstrom abhängigen Gleichstrom zu liefern;

4. einem Apparat R1; welcher dazu bestimmt ist, einen von der vom Transformator Tu gelieferten Wechselstromspannung abhängigen Gleichstrom zu liefern;

5. der Dynamo einer Leonhardschen Gruppe mit drei Erregerstromkreisen, durch welche die von Ru bzw. Rj und einer fremden Stromquelle kommenden Ströme fließen; diese Ströme fließen in solcher Richtung, daß die gesamte magnetomotorische Kraft ungefähr gleich aU—bj— c ist, wobei a, b, c, U, j die eingangs erwähnte Bedeutung haben; die so ausgebildete Dynamo G wird von einem Motor mit gleichbleibender Geschwindigkeit angetrieben und gibt ihren Strom an einen Motor mit Fremderregung ab, durch welchen die Bewegungen der zu regulierenden Elektrode gesteuert werden.

Die Apparate Ru und Rj können in verschiedener Weise ausgeführt werden. Man kann z. B. Gleichrichter von beliebiger Art (Quecksilberdampflichtbogen, Kenotrone u. dgl.) verwenden. Auch können die Eigenschaften der Widerstände mit hohem Temperaturkoeffizienten verwendet werden; es genügt z. B., wenn man vier gleiche Widerstände (Abb. 2) verwendet. Zwischen A und B führt man Wechselstrom zu; zwischen C und D läßt man Gleichstrom fließen. Wenn die Betriebsbedingungen entsprechend gewählt werden, hängt die Stärke des Gleichstromes von der Stärke des Wechselstromes ab ; der so eingestellte Gleichstrom wird zur Erregung der Dynamo G verwendet; der Gleich- ⁸S strom zur Erregung von G kann auch dadurch reguliert werden, daß man im Nebenschluß zu den Polen einer Seriendynamo, welche die Pole von G speist, einen Widerstand mit hohem Temperaturkoeffizienten· schaltet, worin man den Wechselstrom fließen läßt, der die Regulierung beeinflussen soll. Um nur eine Seriendynamo zu verwenden, wäre es möglich, gleichzeitig Widerstände mit positivem und solche mit negativem Temperaturkoeffizienten zu verwenden, indem die einen durch die Spannungsschwankungen und die anderen durch die Stromschwankungen beeinflußt werden.

Dieser Regler beruht auf der Verwendung der Ward-Leonhardschen Gruppe und der Benutzung von mehr oder weniger bekannten, jedoch zwecks Erzielung eines Reglers mit ganz bestimmten Eigenschaften nach einer neuen Art gruppierten Gleichrichtern. Es soll jetzt eine andere Ausführungsform beschrieben werden, die zu einem Regler führt, der zwar die gleichen Merkmale aufweist, aber vom vorbeschriebenen System sich unterscheidet durch die Benutzung eines besonderen Gleichrichters. Dieser Gleichrichter selbst kennzeichnet sich durch die Nutzbarmachung der Sättigungseigenschaften des Eisens und paßt sich dem beanspruchten Regulierverfahren besonders gut an.

Bekanntlich wird bei einem eisenmagnetischen Stromkreis der Induktionsfluß im allgemeinen in Abhängigkeit von der magnetomotorischen Kraft durch eine der Kurve C (Abb. 3) ähnliche Kurve dargestellt, bei welcher der Punkt M einem Induktionsfluß ο η und einer magnetomotorischen Kraft 0 m entspricht. Es soll der Fall betrachtet werden, in welchem dem in Betracht gezogenen magnetischen Strom-

kreis eine gleichgerichtete magnetomotorische Kraft ο m ,und eine abwechselnde magnetomotorische Kraft von einer Großem¹,?»² überlagert wird. Der Punkt n, der die Größe des Flusses angibt, bewegt sich zwischen n^x und «^a, d. h. der mittlere Wert des Flusses wird von η beispielsweise auf n° herabgesetzt. Eine solche Herabsetzung würde nicht eintreten, wenn die Punkte m¹ und m^z durch eine gewisse Wahl des

to Punktes M auf einem geraden Abschnitt der Kurve C gelegen wären bzw. wenn der Punkt M mit dem Nullpunkt zusammenfallen würde.

Bei einer Kurve C und bei einem auf derselben entsprechend gewählten Punkt M₁ d. h.

bei einer bestimmten Einstellung der Amperewindungen des Gleichstromes wird demnach der Wechselstrom den mittleren Wert des Flusses desto weiter herabsetzen, je größer die Amplitude des Wechselstromes selbst sein wird.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Vorrichtung zur Regelung elektrischer Lichtbogenofen, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Vorrichtung bewirkte Bewegung der Elektrode mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die durch die Gleichung bestimmt ist

   worin α, b, c Konstanten sind, [U] der absolute Betrag der Spannungsdifferenz zwischen der Elektrode und dem Herd und [/] der absolute Betrag des in der Elektrode fließenden Stromes.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch ι unter Anwendung einer Leonardschen Gruppe für jede Elektrode und zweier Erregerwicklungen für die Leonard-Dynamo, von denen die eine von einem dem Wert der zwischen Elektrode und Herd herrschenden Spannung entsprechenden Gleichstrom, die andere von einem der Stromstärke in der Elektrode entsprechenden Gleichstrom durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leonard-Dynamo außer diesen beiden Erregerwicklungen noch mit einer dritten, von einem aus einer getrennten Quelle kommenden konstanten Gleichstrom durchflossenen Erregerwicklung versehen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen