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Anordnung zum Betrieb von stabil brennenden Wechselstromlichtbogenöfen
Bei der Durchführung chemischer Reaktionen, insbesondere bei der Verarbeitung von
Kohlenwasserstoffen, in elektrischen Entladungen macht sich bei der Verwendung von
Wechselstrom, d. h. Ein- oder Mehrphasenströmen, vielfach die hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit
der zu behandelnden Gase und ihr starkes Entionisierungsvermögen besonders störend
bemerkbar. Man hat sich daher in diesen Fällen im allgemeinen auf die Verwendung
von Gleichstrom beschränkt und Wechselstrom nur in Sonderfällen verwendet und dann
nur bei Verwendung von Vorrichtungen zum Zünden der Lichtbögen. Bei der Verwendung
von Gleichstrom müssen außerdem die bei größeren Einheiten nicht unerheblichen Kosten
für die Gleichrichtung aufgewandt werden. Außerdem ist man in der Leistung durch
die Leistungsfähigkeit der Gleichrichtergefäße beschränkt.
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Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, hat man deshalb versucht, z.
B. bei der Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen zu Wechselstromlichtbögen überzugehen.
Aus den geschilderten Gründen erlischt der Lichtbogen bei jedem Nulldurchgang der
Spannung und muß bei ihrer Wiederkehr neu gezündet werden.
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Der elektrische Lichtbogen stellt außerdem noch einen veränderlichen
Widerstand dar, derart, daß mit wachsendem Strom die Brennspannung auf Bruchteile
der
Leerlaufspannung zurückgeht. Das Verhältnis von Brennspannung zu Leerlaufspannung
gibt ein Maß für den Leistungsfaktor an. Der Leistungsfaktor, der sich bei einem
z. B. in Kohlenwasserstoffen brennenden Wechselstromlichtbogen einstellt, ist daher
sehr schlecht, wenn nicht besondere Maßnahmen getroffen werden, um die Brennspannung
möglichst nahe an die Leerlaufspannung heranzurücken. So ist vorgeschlagen worden,
um die hohe Zündspitze beim jeweiligen Zünden von in Kohlenwasserstoffen brennenden
Lichtbögen zu vermeiden, der Speisespannung mit Normalfrequenz eine Spannung mit
höherer Frequenz, die nur während des Zündens oder auch während der ganzen Brenndauer
wirksam ist, zu überlagern oder die Elektroden, die sich beim Zünden berühren, sehr
rasch auf große Abstände zu bringen.
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Auch ist bereits vorgeschlagen worden, um den großen Unterschied zwischen
Brenn- . und Leerlaufspannung zu verkleinern, den Lichtbogen durch hochfrequente
Spannungsstöße zu zünden, d. h. ihm bereits vor dem Anstieg der Netzspannung eine
vorionisierte Entladungsbahn zu schaffen, um damit die hohe Zündspitze zu vermeiden.
Während des Brennens des Lichtbogens ist dann der Strom nur begrenzt durch die Widerstände
und Induktivitäten in dem Netz. Es ist, also nötig, große-Drosselspulen zu verwenden,
die.bewirken, daß die Spannung mit wachsendem Strom stark abfällt. Derartige Drosselspulen
sind aber für relativ große Blindleistungen zu bemessen und daher groß und teuer.
Außerdem arbeitet eine solche Anlage mit einem der großen Blindleistung entsprechenden
schlechten Leistungsfaktor.
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Ferner ist bekannt, Wechselstromlichtbögen durch einen Hilfslichtbogen
zu zünden, um den großen Unterschied zwischen Zünd- und Brennspannung zu verkleinern.
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Ebenso ist schon vorgeschlagen worden, zum Zünden von Lichtbögen eine
Einrichtung zu verwenden, die jeweils in der Nähe der Ansatzstelle des Lichtbogens
einen Kathodenfleck erzeugt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Stift aus
einem Stoff von geringer elektrischer Leitfähigkeit in Berührung mit einer der Elektroden
ist. Diesem Stift wird ein Strom aufgedrückt, der auf der Elektrode einen Kathodenfleck
erzeugt und dadurch den Lichtbogen zündet.
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Allen diesen Verfahren haftet jedoch der Nachteil an, daß sich mit
ihnen in vielen Fällen eine ausreichende Stabilisierung des Lichtbogens nicht erreichen
läßt.
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Es wurde nun gefunden, daß es beim Betrieb von Lichtbogenöfen mit
Ein- oder Mehrphasenstrom erhebliche Vorteile bringt, wenn man bei der Verwendung
von beliebigen Zündeinrichtungen die Zündung vom Lichtbogenstrom abhängig erfolgen
läßt. Eine Beeinflussung des Lichtbogens findet zwar immer nur beim Zünden der nächsten
Halbwelle, also in Zeiträumen z. B. bei 3-Phasenbetrieb von = ; Sekunde, statt.
Während einer solchen Zeit können aber die Induktivitäten des Stromkreises eine
plötzliche große Änderung des Betriebsstromes verhindern, so daß zusätzliche Einrichtungen;
z. B. Drosseln, zum Stabilisieren des Lichtbogens ganz oder teilweise wegfallen
können. . In Abb. = ist eine Einrichtung zur Erzielung eines vom Lichtbogenstrom
abhängigen Zündeinsatzes mit hochfrequenten Spannungsstößen schematisch dargestellt.
Dabei ist zur Erzeugung der kurzzeitigen hohen Zündspannung ein Teslakreis verwendet.
Es kann dazu auch ebensogut eine Stoßvielfachschaltung angewendet werden.
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In dem in Abb. i gezeichneten Schaltschema wird aus einem Netz x mit
den Phasen R, S und T über Steuerstromwandler z ein Hochspannungstransformator 3
gespeist, der seinerseits den Strom für die in der Kammer R brennenden Lichtbogen
liefert. Die Zündung der Lichtbögen in der Kammer R erfolgt in jeder Halbwelle durch
einen Teslakreis, der die zur Zündung notwendigen hohen kurzzeitigen Spannungsstöße
in dem erforderlichen Zündzeitpunkt erzeugt, damit an den Elektroden der Lichtbogenstrecke
einen Überschlag erzielt und dadurch den Lichtbogen zündet.
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Der Teslakreis besteht aus den Primärspulen q. und Sekundärspulen
5 eines Teslatransformators, dessen Sekundärspulen vom Betriebsstrom durchflossen
werden. Der primäre Schwingungskreis des Teslatransformators wird von der Spule
q. und dem Kondensator ii gebildet. Der Kondensator ii wird aus der Speicherkapazität
g über einen Widerstand io aufgeladen. Die Ladung des Kondensators g wiederum erfolgt
über den Widerstand 8 und die Glühventile 7 durch den Transformator 6. Der Heizkreis
ist der Einfachheit halber weggelassen. Die Widerstände 8 und io dienen dazu, die
hochfrequenten Schwingungen von g und 6 fernzuhalten. Der Primärkreis wird zum Schwingen
angeregt durch Freigabe der gittergesteuerten Röhren 12. Die Freigabe dieser gittergesteuerten
Röhren wiederum erfolgt stromabhängig und trägheitslos durch eine stromproportionale
Spannung;dievon Stromwandlern2 auf der Primärseite des Haupttransformators 3 geliefert
wird. Diese Spannung wird von Ventilen 19 gleichgerichtet. Der Steuerkreis zur trägheitslosen
stromabhängigen Beeinflussung der Gitter der Röhren 12- arbeitet folgendermaßen:
Der aus dem gleichen Netz über denDrehregler 2o gespeiste TTansformator13 liefert
eine Gitterwechselspannung, die durch Ventile 14 gleichgerichtet wird, um einen
positiven Gitterimpuls in jeder Halbwelle zu erhalten. Diese nur positiven Sinushalbwellen
werden durch die Drossel 15 derart verformt, daß ein steiler Zündimpuls für das
Gitter erreicht wird. Dieser gleichgerichteten Gitterwechselspannung ist am Widerstand
17 eine konstante positive Gleichspannung Ep und am Widerstand 18 eine stromabhängige
Gleichspannung E" überlagert, wobei die letztere über Stromwandler 2 und Gleichrichterelemente
ig dem Netz 1 entnommen wird. Die Wirkungsweise der in die Gitterzuleitungen eingebauten
Drossel r5 mit einem Kern aus einem hochpermeablen Stoff ist so, daß sie stets eine
gleiche Spannungsfläche aus den nur positiven Sinushalbwellen wegnimmt. Die Verschiebung
des Zündimpulses ist nur dann bedingt durch die Differenz der Spannungen Ep-E",.
Mit zunehmendem Strom in der Kammer R steigt auch die Steuergleichspannung E, am
Widerstand 18, die Differenz von Ep-E", wird kleiner, das Gitter der Röhre i2 wird
später positiv,
der Teslakreis später angeregt, die Zündung des
Lichtbogens erfolgt später. Das Umgekehrte tritt ein bei fallendem Strom.
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Durch den Drehregler 2o besteht noch die Möglichkeit, durch Verschieben
der Phase der Spannung des Gitterspannungstransformators 13 eine Einstellung des
Zündzeitpunktes von Hand vorzunehmen.
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Eine ähnliche Zündeinrichtung kann auch mit einer Stoßvielfachschaltung
aufgebaut werden.
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Eine Zündeinrichtung unter Verwendung eines Hilfslichtbogens, der
den Hauptlichtbogen in jeder Halbwelle der speisenden Spannung zündet, kann ebenfalls
verwendet werden. Es kann zu diesem Zwecke z. B. der Hilfslichtbogen, der zwischen
einer Hilfselektrode und einer Hauptelektrode oder zwischen zwei Hilfselektroden
eingeleitet wird, durch einen Zweiggasstrom oder durch entsprechende Leitung des
Hauptgasstromes selbst zwischen die Hauptelektroden geblasen werden.
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Durch einen Steuerkreis, ähnlich dem der in Abb. i bereits angeführten
Art, läßt sich ebenfalls durch einen Hilfslichtbogen eine stromabhängige Zündung
des Hauptlichtbogens erreichen.
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In Abb. 2 ist eine Ausführungsform einer derartigen Einrichtung schematisch
für eine Phase dargestellt Von einem Netz i wird über einen Stromwandler 2 und Transformator
3 die Lichtbogenkammer K gespeist. Diese enthält die Hauptelektroden 21 und die
Hilfselektrode 2a, die den Hauptlichtbogen einleitet. Die Hilfselektrode, die den
Hilfslichtbogen einleitet, wird ebenfalls vom Netz i über den Drehregler 2o, Transformator
13, Ventil 1q., Drossel 15 und Widerstand 16 gespeist. Die Zündung dieses Hilfslichtbogens
erfolgt stromabhängig und praktisch trägheitslos durch eine hauptstromproportionale
Spannung, die von dem Stromwandler 2 auf der Primärseite des Transformators 3 'geliefert
wird. Diese Spannung wird von Ventilen ig gleichgerichtet. Der Steuerkreis arbeitet
folgendermaßen Das aus dem Netz i über den Drehregler 2o und Transformator 13 gespeiste
Ventil 1q. liefert eine Spannung mit nur positiven Halbwellen, die durch die Drossel
15 derart verformt werden, daß ein steiler Spannungsanstieg erreicht wird. Dieser
verformten Spannung ist am Widerstand 17 über Ventile 23 und Transformator
24 eine konstante positive Vorspannung Ep und am Widerstand 18 eine stromabhängige
Gleichspannung überlagert. Die Wirkungsweise der Drossel 15 mit einem Kern aus hochpermeablem
Stoff ist so, daß sie stets eine gleiche Spannungsfläche aus der Sinushalbwelle
wegnimmt. Die Verschiebung des Zündeinsatzes des Hilfslichtbogens ist dann nur bedingt
durch die Differenz der Spannungen Ep-E".
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Durch den Drehregler 2o besteht die Möglichkeit, durch Verschieben
der Phase der an den Transformator 13 gelegten Spannung eine Einstellung des Zündeinsatzes
des Hilfslichtbogens von Hand vorzunehmen.
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Ebenso läßt sich ein Wechselstromlichtbogen stromabhängig mittels
einer Anordnung zünden, die auf einer Elektrode einen Kathodenfleck erzeugt. Dabei
wird ein Stab geringer elektrischer Leitfähigkeit in dauernde Berührung mit einer
der Hauptelektroden gebracht und erzeugt auf dieser einen Kathodenfleck, der den
Lichtbogen zündet.
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Ähnliche Anordnungen lassen sich auch mit anderen Einrichtungen zum
periodischen Zünden von Lichtbögen bewerkstelligen.
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Die Einrichtung eignet sich für Lichtbogenöfen für beliebige Zwecke.