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Anordnung zur Wechselstromspeisung eines Widerstandsofens Die Erfindung
bezieht sich auf Widerstandsöfen, welche an ein Wechselstromnetz angeschlossen sind
und mit verhältnismäßig niedriger Spannung bei großen Stromstärken arbeiten. Öfen
dieser Art haben bei größeren Leistungen innerhalb der Ofenanlage selbst sehr große
Abmessungen in den Zuführungsleitungen. Aus diesem Grunde muß bei dem Anschluß des
Ofens an ein Wechselstromnetz berücksichtigt werden, daß die Induktivität, welche
durch die ausgedehnten Zuleitungen bedingt ist, einen wesentlichen Anteil an der
Art und der Größe des Belastungswiderstandes hat. Es ist schon vorgeschlagen worden,
die Induktivität dieser Zuleitungen durch eine Kapazität auszugleichen und dementsprechend
einen oder mehrere Kondensatoren in den Sekundärkreis des Transformators zu schalten,
über den der Widerstandsofen an das speisende Wechselstromnetz angeschlossen ist.
Gegenüber bekannten Anlagen dieser Art ist es vorteilhaft, die Kondensatoren nicht
unmittelbar in den Belastungsstromkreis des Ofens zu schalten, sondern sie über
einen Reihentransformator mit dem Ofenstromkreis zu koppeln. Der Kondensator, welcher
im Sekundärkreis des Reihentransformators liegt, kann dann für eine wesentlich höhere
und für seine Konstruktion wirtschaftlichere Spannung bemessen werden. Damit der
Kondensator nicht unnötig groß wird, unterteilt man zweckmäßig noch die Zuleitungen
von dem Ofentransformator zu dem Ofen selbst in mehrere parallele Zweige, die so
miteinander verschachtelt werden, daß die Gesamtinduktivität dieser Zuleitungen
möglichst klein bleibt. Die Hauptinduktivität des Sekundärkreises des speisenden
Transformators
liegt dann in der vom Ofen selbst gebildeten Stromschleife, welche sich wegen der
großen räumlichen Abmessungen des Ofens nicht beliebig verkleinern läßt.
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In Fig. i ist die Grundschaltung einer solchen Anlage dargestellt.
Der Widerstandsofen 0 ist an den Transformator T über einen Reihentransformator
S angeschlossen, in dessen Sekundärkreis der Kondensator C liegt. Die räumliche
Anordnung der Anlage zeigt Fig. 2. Zwischen dem Ofen 0 und dem Transformator T liegt
der Reihentransformator S mit dem Kondensator C im Sekundärkreis. Als Beispiel sind
acht Zuleitungen i bis 8 angenommen, welche in der aus der Schaltung ersichtlichen
Form ineinander verschachtelt sind. Diese Leitungsführung ergibt eine 4fache Parallelschaltung
und eine entsprechende Verminderung der Induktivität dieser Leitungen.
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Der Kondensator C wird im allgemeinen so groß gewählt, daß er auf
einen cos (p = o,9 nacheilend bis cos 99 = i kompensiert. Für den Zusammenhang zwischen
der speisenden Wechselspannung U, dem Strom J, dem ohmschen Widerstand R des Widerstandsofens,
der Gesamtinduktivität L des Ofenstromkreises und der Kapazität C des Kondensators
gilt dann die bekannte Formel:
Bei Kompensierung auf cos 9a = i wird .
die Spannung U ein Minimum und die zugeführte Scheinleistung infolgedessen ebenfalls.
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Die Gesamtinduktivität des Stromkreises setzt sich aus der Induktivität
Lo der Ofenschleife, der Induktivität Lz der Leitung zwischen Ofen und Transformator,
der Induktivität LS des Reihentransformators und der Induktivität LT des
Ofentransformators zusammen. Als Kapazität C ist die auf die Primärseite umgerechnete
Kapazität des Reihenkondensators einzusetzen. Die Spannung am Serienkondensator
ist dem Strom proportional, und der Kondensator ist bei Kurzschlüssen infolgedessen
besonders gefährdet. Zum Schutz des Kondensators wurden daher bei derartigen Anlagen
Funkenstrecken oder andere gleichwertige Einrichtungen vorgesehen, welche beim Überschreiten
einer Höchstgrenze der Spannung, die im allgemeinen beim doppelten Nennwert liegt,
den Kondensator kurzschließen.
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Um derartige Maßnahmen zu ersparen, werden gemäß der Erfindung die
Induktivitäten des Ofenstromkreises so abgestimmt, daß bei allen im Betrieb möglichen
Kurzschlüssen der Kurzschlußstrom nicht größer werden kann als etwa der doppelte
Nennwert. Die Spannung am Kondensator kann dann ihren doppelten Nennwert nicht überschreiten.
Handelt es sich um Anlagen mit Kondensatoren, die mit etwas mehr als der doppelten
Nennspannung zumindest für kürzere Zeit belastet werden können, so wird der Grenzkurzschlußstrom
und die von ihm abhängige Bemessung der Induktivität entsprechend zu ändern sein:
Aufbau und Anordnung des Widerstandsofens bringen es mit sich, daß der Widerstand
dieses Ofens nicht in einem Punkt konzentriert ist, sondern eine sehr große Ausdehnung
besitzt. Kurzschlüsse dieses Widerstandes sind daher betriebsmäßig nur in der Weise
möglich, daß gleichzeitig auch die Induktivität der am Ofen selbst liegenden Zuleitungen
kurzgeschlossen wird (vgl. Fig. 2). Für den Kurzschlußstrom gilt dementsprechend
folgende Formel:
Die sich aus den Teilinduktivitäten Lz, L s und LT
zusammensetzende
Gesamtinduktivität muß im Vergleich zu dem Wert klein gehalten werden; damit der
Kurzschlußstrom
den angegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
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Die Gefährdung der Anlage durch Kurzschlüsse längs der Verbindungsleitung
zwischen Ofen und Transformator läßt sich noch weiter dadurch vermindern, daß gemäß
der Erfindung zwischen parallel geschalteten und verschachtelten Zuleitungen, welche
den Ofen mit dem Reihentransformator bzw. dem speisenden Haupttransformator verbinden,
Querverbindungen vorgesehen werden. Diesen Querverbindungen liegen folgende Überlegungen
zugrunde: Nimmt man an, daß an der mit a bezeichneten Stelle ein Kurzschluß zwischen
den Leitungen 4 und 5 eintritt, so sind die Leitungen 6 und 8 nicht unmittelbar,
sondern unter Zwischenschaltung der Ofenzuleitungen g und io mit der Kurzschlußstelle
verbunden, wenn nicht gemäß der Erfindung eine Querverbindung ix in der Nähe des
Ofens zwischen den Leitungen 4 und 6 angebracht ist. Durch diese Querverbindung
wird dafür gesorgt, daß bei einem Kurzschluß an der Stelle a alle Leitungen i bis
8 etwa gleichmäßig an dem Kurzschlußstrom beteiligt sind und daß sich aus diesem
Grunde die Induktivität Lz der Leiter nicht ändert.
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Bei einem Kurzschluß im Punkt b der Fig. 2 erhält man unter der Voraussetzung,
daß die Querverbindungen 14 und 15 an dieser Stelle fehlen, etwa folgende Stromverteilung:
Die beiden Leitungen 4 und 5, zwischen denen der Kurzschluß besteht, führen einen
größeren Strom als die übrigen Leitungen, weil diese übrigen Leitungen nur über
längere Leitungszüge mit den dadurch gebildeten Induktivitäten reit der Kurzschlußstelle@
verbunden sind. Die Richtung der Ströme in den verschiedenen Leitungen ist an der
Stelle b durch Richtungspfeile gekennzeichnet. Mit Bezug auf die Kurzschlußstelle
sind die Leitungen 2, 6; 8 bzw. 1, 3, 7 parallel geschaltet und über die ohnehin
vorhandenen Querverbindungen an dem Widerstandsofen mit der Kurzschlußstelle b verbunden.
Die Ströme, welche in diesen letztgenannten Leitungen fließen, sind wegen der vorgeschalteten
Teilinduktivität kleiner als die Kurzschlußströme in den Leitungen 4 und 5. Dadurch
wird die gleichmäßige Stromaufteilung auf sämtliche parallel geschalteten Teilleiter
und die darauf beruhende Verminderung der Gesamtinduktivität der Zuleitungen zum
Teil beseitigt. Diese Induktivität wird unter
ungünstigen Verhältnissen
durch die Parallelschaltung der Leiter i, 2, 3, 6, 7 und 8 nur unwesentlich gesenkt.
Die Induktivität der der Kurzschlußstelle benachbarten Leiter 4 und 5 und der zugehörigen
Transformatorwicklungen ist, für sich betrachtet, das 4fache der entsprechenden
gesamten Leiter- und Transformatorinduktivität. Bei einem Kurzschluß an der Stelle
b ohne die Querverbindungen ii bis 15 kann es daher vorkommen, daß der Nenner der
obigen Formel für den Kurzschlußstrom J$ so klein wird, daß der Kurzschlußstrom
den Grenzwert des 2fachen Nennstromes erheblich überschreitet. Bei einer größeren
Anzahl parallel geschalteter Zuleitungen kann dabei die Induktivität dieser Leitungen
so groß werden, daß annähernd Spannungsresonanz eintritt und der Kurzschlußstrom
daher nur durch den Widerstand in den Transformatoren und den Leitungen begrenzt
wird. Ordnet man die in Fig. 2 mit ii bis i9 bezeichneten Querverbindungen zwischen
den Zuleitungen an, so kann diese Erscheinung nicht auftreten: Bei Kurzschlüssen
an den Stellen a, b, c und d
der in Fig.2 dargestellten Leiteranlage
wird stets dafür gesorgt, daß sich der der Kurzschlußstelle zufließende Strom praktisch
gleichmäßig auf alle parallelen Leitungen verteilt. Auch bei Kurzschlüssen an ungünstig
gelegenen Stellen bleibt daher die Gesamtinduktivität so klein, daß die obengenannte
Bedingung für den Kurzschlußstrom erhalten bleibt.
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Wenn durch die Erfindung der Kurzschlußstrom unter allen Umständen
auf den 2fachen Nennwert begrenzt wird, genügt die Auslösung des Hauptschalters
mit den üblichen Schaltzeiten. Zusätzliche Schalt- oder Steuerungseinrichtungen
sind nicht erforderlich. Da der Ofentransformator gewöhnlich eine Einrichtung zur
Spannungsregelung besitzt, um die Ofenspannung den Zustandsänderungen des im Ofen
behandelten Werkstoffes anzupassen, kann bei niedrigen Spannungen der Kurzsuhlußstrom
kleiner als der Nennstrom sein. Ein Überstromauslöser würde den Kurzschluß dann
gar nicht erfassen können. Aus diesem Grunde wird zweckmäßig auf der Netzseite des
die Ofenanlage speisenden Transformators ein Blindleistungsrelais eingebaut; welches
bei stark voreilendem Leistungsfaktor den Ofenschalter auslöst oder ein Signal betätigt,
welches anzeigt; daß eine Störung aufgetreten ist.
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Die Erfindung ist nicht an die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform
gebunden. Zahl und Lage der Querverbindungen zwischen den parallel geschalteten
Zuleitungen hängt von den besonderen Umständen der durch diese Maßnahmen gegen Kurzschlußstörungen
zu schützenden Anlage ab. Die Erfindung ist nicht nur bei Einphasenstrom, sondern
auch bei Drehstrom anwendbar. Die Querverbindungen zwischen den parallel geschalteten
Leitungen sind bei allen Verbrauchern vorteilhaft, bei denen hinsichtlich der Stromverteilung
bei Kurzschlüssen ähnliche Verhältnisse auftreten, wie sie oben für die Kurzschlußstelle
b der Anlage nach Fig. 2 geschildert wurden. Diese Querverbindungen sind daher nicht
daran gebunden, daß es sich um einen Widerstandsofen handelt, der über eine größere
Anzahl parallel geschalteter Leitungen gespeist wird. Wesentlich ist nur, daß bei
einem Kurzschluß des Belastungswiderstandes gleichzeitig auch der Hauptteil der
Induktivität kurzgeschlossen wird.