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Einrichtung zur Speisung von Gleichstromflammenbogenöfen, bestehend
aus einem von einem Wechselstromnetz gespeisten gittergesteuerten Quecksilberdampfgleichrichter
Es ist bekannt, Gleichstromflammenbogenöfen über Quecksilberdampfgleichrichter zu
speisen. Für einen ruhigen stabilen Flammenbogenbetrieb ist dabei eine stark abfallende
Charakteristik notwendig. Man erreichte diese bisher, indem man große Drosselspulen
vor den Gleichrichter schaltete, die bewirkten, daß die Spannung mit wachsendem
Strom stark abfiel. Sehr wichtig ist dabei, daß der Betrieb an einem Punkt der Charakteristik
erfolgen muß, an welchem diese bereits eine gewisse Steilheit besitzt, weil nur
dann ein ruhiges Brennen des Lichtbogens stattfinden kann. Schon kleine Stromänderungen
rufen dann relativ große Spannungsänderungen hervor, welche der weiteren Stromänderung
entgegenwirken. Diese vorgeschalteten Drosselspulen waren aber für relativ große
Blindleistung zu bemessen und daher groß und teuer. Außerdem arbeitete die Anlage
mit einem der großen Blindleistung entsprechenden schlechten cos (p, so daß die
Leitung und die Erzeugerstation mit großen Blindströmen belastet werden. Eine erheblich
vorteilhaftere Einrichtung ergibt sich, wenn man zur Speisung solcher Verbraucher
gittergesteuerte Gleichrichter verwendet, die es ermöglichen, die Vorschaltdrossel
ganz zu entbehren oder sie auf einen sehr kleinen Blindleistungswert zu beschränken.
Man ist nämlich bei gittergesteuerten Gleichrichtern in, der Lage, die Gleichspannung
durch Verlegung des Zündpunktes der Anoden vom Wert Null bis zum vollen. Wert zu
regeln und hat so ein, Mittel an der Hand, einem solchen Gleichrichter eine vom
Strom abhängige, stark abfallende Charakteristik zu geben, deren Verlauf aber dabei
erheblich günstiger gestaltet werden kann als der, den man bei vorgeschalteten Drosseln
erreicht.
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Es ist nun bereits vorgeschlagen worden, bei einem von einem gegebenen
Wechselstromnetz gespeisten, gittergesteuerten Quecksilberdampfgleichrichter die
Phasenlage der Gitterspannung in Abhängigkeit vom Belastungsstrom des Gleichrichters
zu regeln, derart, daß mit zunehmendem Belastungsstrom die Lage des Zündpunktes
der Anoden zeitlich im nacheilenden Sinne gegen den Zündmoment bei ungesteuerten
Gleichrichtern, verschoben wird, so daß mit zunehmendem Belastungsstrom die vom
Gleichrichter abgegebene Spannung fällt. Die Lage des Zündmomentes bei urigesteuerten
Sechsphasengleichrichtern ist bekanntlich um 6o' gegen den Punkt verschoben, bei
welchem die Sinuskurve der Anodenspannung aufsteigend die Abszisse schneidet. Eine
Vorverlegung des Zündmomentes ist mit einfachen Mitteln nicht möglich; dagegen kann
eine Zündverzögerung durch entsprechende Aufladung der Gitter erreicht werden. Dieser
Umstandwurdebenutzt, um durch die vom Strom abhängige Zündverzögerung von der Halbwelle
des gegebenen Wechselstromes immer kleinere Ausschnitte
zur Erzeugung
des Gleichstromes heranzuziehen und so der Gleichspannung den fallenden Charakter
zu erteilen.
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Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichturig zur Speisung von
Flammenbogenöfen;: bestehend aus einem von einem Wechselstromnetz gespeisten, gittergesteuerten
Quecksilberdampfgleichrichter; bei welchem die notwendige Steilheit der Stromspannungscharakteristik
dadurch erreicht wird, daß die resultierende Gitterspannung aus einer Spannung konstanter
Phasenlage und einer solchen mit dem Strom veränderlicher Phasenlage gebildet wird,
mit dem Ziel einer Kompoundierung des Gleichrichters, wobei erfindungsgemäß -zur
Erzielung eines hohen Leistungsfaktors die feste Komponente der Steuerspannung eine
Phasenlage besitzt; bei welcher die Zündpunktlage mit der Zündpunktlage des urigesteuerten
Gleichrichters zusammenfällt, während durch das Hinzutreten der vom Ström abhängigen
Komponente die resultierende Phase der Steuerspannung im nacheilenden Sinne derart
verschoben wird, daß die Spannungssenkung erst kurz vor dem Arbeitspunkt des Flammenbogens
(Normalstromstärke) eintritt. Ein großer Vorteil dieser Art der Steuerung, und zwar
für Flammenbogenofen, Gleichrichter und Transformator, ist die gerirge Spannungserhöhung
bei Entlastung der Anlage, so daß die Apparate für eine geringere Isolation ausgelegt
werden können.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
bei denen sich die Steuerspannung aus einem konstanten und einem mit dem Belastungsstrom
veränderlichen Teil zusammensetzt:.
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In Fig. i ist ein sechsphasiger Gleichrichter g mit den sechs Anoden
a vorgelagerten Steuergittern e veranschaulicht. Der Gleichrichter g wird über den
Haupttransformator t von dem Wechselstromnetz n aus gespeist. Die Gitterspannurig
wird von einem Hilfstransformator h über, einen: Gittertransformator s sowie die
Gitterwiderstände y derart an die Gitter e gelegt, daß im Leerlauf die Zündung der
Anoden a normal so erfolgt, als wenn keine Gittersteuerung vorhanden wäre. Die Phase
der Gitterspannung wird abhängig vom Strom im nacheilenden Sinne geändert, und zwar
durch einen Stromtransformator p auf der Primärseite des Gleichrichtertransformators
t. Der vom Gleichrichter g gespeiste Flammenbogenofen f ist zwischen die Kathode
k des Gleichrichters g und den. Nullpunkt der Sekundärwicklung des Haupttransformators
t geschaltet. Für kleine Blindleistungswerte befindet sich im Hauptstromkreis gleichzeitig
eine Vorschaltdrossel d. In vielen Fällen aber kann diese Drossel d überhaupt fortfallen.
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In Fig. z bedeutet EA die Anodenspannung und e..jo die im Leerlauf
6o' der Anodenspannung nacheilende Gitterspannung. Dabei ist angenommen, daß die
Anoden beim Stromdurchgang der Gitterspannung durch Null in positiver Richtung sofort
zünden. Bei Belastung wird -die resultieren de Gitterspannung e,., >il,
er t_,, e@r @z üsw. aus der Spannung e" t,. vom Hilfstransformator
h und der Zusatzspannung ei,, e"2; eia usw. vom Stromtransformator p gebildet.
Der geometrische Ort für den Endpunkt der Spannung ei bzw. der resultierenden Spannung
er i ist ein Kreis über e" ", als Sehne und 3o' als Peripheriewinkel. Der Kreis
ist bestimmt durch folgende Beziehungen a) die Zusatzspannung ei steht senkrecht
auf dem Strom i und ist diesem proportional; b) der cos cp beim Strom i ist gleich
dem Verhältnis der Gleichstromspannui:g bei Strom i zur Gleichstromleerlaufspannung,
c) die Phasenverschiebung cp ist gleich der Verschiebung der Gitterspannung x, gerechnet
von der Gitterspannungsphase bei Leerlauf (0-A).
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Die Punkte B, C, D, E usw. erhält man nach diesen. Beziehungen
wie folgt: Man trägt von 0E_; ausgehend im nacheilenden Sinne die Ströme il, i2,
i3 usw. mit den Winkeln cpl, 99, 993 usw. auf. Gleichzeitig trägt man von
0A ausgehend im nacheilenden Sinne die resultierenden Steuerspannungen mit den Winkeln
x1, x2, x3 usw. auf.. Die Zusatzsteuerspannüngen vom Stromtransformator eil,
ei.,, eia usw. Stehen senkrecht auf dem Strom und sind durch Gerade gekennzeichnet,
die im Punkt A an die feste Steuerspannung senkrecht zum Strom angetragen werden.
Die freien Schenkel der Winkel x1, x2, x3 usw. schneiden die Geraden ei" e,.,, eia
usw. in den Punkten B, C, D usw.
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Diese Punkte müssen auf einem Kreis liegen, r da der von Zusatzsteüerspannung
und resultierender Steuerspannung gebildete Winkel konstant ist; denn der eine Schenkel
et verschiebt sich entsprechend dem Winkel (p mit dem Strom, der andere Schenkel
mit dem Ver- 1 schiebungswinkel der Steuerspannung x. Nach obigen Beziehungen ist
aber x = (p.
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Aus Fig. a ergibt sich außerdem; daß der Winkel = 30' ist.
Es läßt sich dies am einfachsten für Punkt B erläutern, bei dem
O B
(resultierende Steuerspannung er il) senkrecht auf O E#4 (Anodenspannung)
steht. Die feste Steuerspannung 0A eilt der Anodenspannung um 6o° nach, so daß der
Winkel A OB = x1 =
go minus 6o ° = 30 °. A B steht nun senkrecht auf
0i1, OB senkrecht auf 0E,1; folglich ist Winkel ABO ebenfalls = 3o°, und
il ist nach dem Satz; daß der Peripheriewinkel = dem Sehne-Tangenten-Winkel ist,
Tangente in Punkt 0.
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Der Punkt K (Fig. 2) ist der theoretische Kurzschlußpunkt des Kreisdiagramms,
da der
Strom der Spannung nicht mehr als go ° nacheilen kann.
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Aus der Beziehung e, proportional J. und cos = cos
läßt ,sich die Spannungscharakteristik Eri f (J,) des Gleichrichters aufzeichnen,
indem man als Abszisse die Strecken A B, A C, A D usw., die dem Strom proportional,
also ein Maß für den Strom sind, und als Ordinate den cos. des Winkels
x = cp aufträgt.
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Die Charakteristik ist gemäß Fig. q. eine Ellipse, wobei die Ohmschen
und induktiven Abfälle sowie der Magnetisierungsstrom des Transformators vernachlässigt
sind. Für den Punkt E (Fig. 2 und q.), wo E@ = 1/2 Et@, ist eine Verschiebung der
Gitterspannung von 6o' erforderlich, es ist also cos x = 1/2 cos p.
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In Fig. 3 zeigt die obere, stark ausgezogene Kurve die Anodenspannung,
während die untere Kurve dieser Figur die vom Strom abhängige Verschiebung der Phase
der Gitterspannung erkennen läßt. Die Zündpunkte A und B gelten für
die entsprechenden Punkte A und B des Diagramms Fig. 2.
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Für einen stabilen Lichtbogenbetrieb der Lichtbogenöfen ist nur die
Steilheit der Stromspannungscharakteristik maßgebend. Bei der Ellipse der Fig. 4.
ist die notwendige Steilheit etwa im Punkt E, also bei der halben Leerlaufspannung,
vorhanden. Die Anlage arbeitet mit einem cos (p von 0,5 bis o,6.
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Mit Hilfe der Gittersteuerung gelingt es nun, die gleiche Steilheit
wie bei 1/2 Egr, (Fig. q.) schon bei einer höheren absoluten Spannung und damit
bei einem besseren cos 9p zu erreichen, wenn man erfindungsgemäß die Gittersteuerung
in Richtung einer Abwärtsregelung erst bei größeren Belastungsströmen einsetzen
läßt, d. h. bei kleinen Strömen wirkt die Zusatzsteuerspannung noch nicht auf die
Gittersteuerung ein. Man erreicht diese beispielsweise, wenn man der festen Komponente
der Steuerspannung eine Phasenlage gibt, die vor der Zündpunktlage des ungesteuerten
Gleichrichters liegt, d. h. z. B., indem man der Leerlaufgitterspannung e#;., die
in Fig. 2 6o' der Anodenspannung nacheilt, eine Voreilung gibt.
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Die Fig. 5 zeigt dies für eine Leerlaufgitterspannung, welche der
Anodenspannung um 30'
nacheilt. Diese Phasenänderung muß durch entsprechende
Schaltung des Hilfstransformators oder des Gittertransformators erreicht werden.
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Die Gitterspannung er;". muß in diesem Falle zunächst um 3o' verschoben
werden, ehe eine Beeinflussung der Gleichspannung auftritt (Punkt A bis B). Die
notwendige Zusatzspannung e71 steht senkrecht auf il. Sieht man vom Magnetisierungsstrom
und der Phasenverschiebung durch die Kurzschlußreaktanz des Transformators ab, so
bleibt der Strom i in Phase mit der Anodenspannung, bis die Gitterspannung die Phase
0-B = natürliche Zündpunktlage des ungesteuerten Gleichrichters erreicht
hat. Bis dahin bleibt auch die Phase der Zusatzspannung e, die gleiche. Wird die
Phasenverschiebung der Gitter größer als 6o' nacheilend gegen Anodenspannung, dann
tritt Beeinflussung der Gleichspannung ein und damit auch eine Phasenverschiebung
des Stromes i. Es gelten dieselben Beziehungen, wie bereits beschrieben, für eine
Gitterspannung, die im Leerlauf 6o' der Anodenspannung nacheilend ist. Der Endpunkt
der Gitterspannungen bewegt sich auf einem Kreis mit e@;o (0-A) als Sehne
und 3o' als Peripheriewinkel. Das der Winkel A BO in Fig. 5 = 30'
ist, ergibt sich aus folgender Überlegung. Der Winkel E.I 0 B
ist 6o' (natürliche
Zündpunktlage), die Strecke AB steht senkrecht auf 0E,1, so daß der Winkel
O BA = go - 6o = 30' ist.
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Die sich nach denselben Überlegungen wie Fig. 2 aus Diagramm 5 ergebende
Charakteristik Eg f (J,) ist in Fig. 7 dargestellt. Die Neigung (Tangente
an die Kurve) von go °, welche bei der Charakteristik Fig. q. erst bei der Spannung
Null erreicht wird, ist hier schon bei
vorhanden. Auch die für den Lichtbogenofenbetrieb erforderliche Neigung kann bereits
mit einem cos cp von etwa o,8 erreicht werden. Die Charakteristik hat außerdem einen
Umkehrpunkt bei E; der Kurzschlußstrom bei K ist kleiner als bei E.
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In der Fig. 6 zeigt die obere Kurve wieder die Anodenspannung, während
die Phasenlage der Gitterspannung in der unteren Kurve dargestellt ist. Die Zündpunktlagen
A, B, C in
Fig. 6 entsprechen dabei den Punkten A, B, C in Fig. 5 und
den Punkten A, B, C in der Stromspannungscharakteristik Fig. 7.
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Mit Hilfe der Gittersteuerung ist es also möglich, die zur Stabilisierung
des Betriebes erforderlichen Drosselspulen zu vermeiden und die Einrichtung einfacher
und wirtschaftlicher zu gestalten. Insbesondere bedeutet es einen großen Vorteil
für den Betrieb der Anlage, daß die Speisung des Flammenbogenofens unter Erzielung
eines guten Leistungsfaktors im Primärnetz und nur geringer Spannungsabsenkung oder
bei Entlastung nur geringer Spannungserhöhung auf der Gleichstromseite; wo mit hohen
Spannungen gearbeitet wird, erfolgen kann.