DE969607C - Elektrodenregelung fuer Lichtbogenoefen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 26. JUNI 1958

INTERNAT. KLASSE H 05 b

S528 VIIId/2i h

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenregelung für Lichtbogenöfen, bei der die Elektrode nach Maßgabe des Lichtbogenzustandes durch einen Stellmotor selbsttätig gehoben oder gesenkt wird. Sie ist von besonderer Bedeutung für den Fall, daß der Stellmotor über Gas- oder Dampfentladungsgefäße gespeist wird, die entsprechend gesteuert werden. Es ist bereits bekannt, als Regelgröße für den Strom des Stellmotors die Differenz von zwei Gleichspannungen zu verwenden, von denen die eine der Spannung, die andere dem Strom des Lichtbogens proportional ist. Das hat den Vorteil, daß Spannungsänderungen,, die ihren Grund außerhalb des betrachteten Lichtbogens haben, keinen Einfluß auf die Elektrodenstellung ausüben. In diesem Falle ändern sich Lichtbogenspannung und Lichtbogenstroin einander proportional. Trotz dieser Änderung darf aber die Elektrode nicht verstellt werden. Bei der geschilderten Bildung der Regelgröße als Differenz zwischen einer einerseits der Spannung und andererseits dem Strom des Lichtbogens proportionalen Spannung tritt bei proportionaler Änderung von Spannung und Strom eine Verstellung der Elektrode nicht ein. Die Elektrode wird nur dann verstellt, wenn Änderungen des Lichtbogenstromes und der Lichtbogenspannung nicht mehr einander proportional oder sogar gegensinnig erfolgen, was ein Zeichen dafür ist, daß die Ursache der Änderung im Lichtbogen selbst zu suchen ist, also nur durch eine Verstellung

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der betreffenden Elektrode wieder ausgeregelt werden kann. Man kann die Regelspannungskomponente so einstellen, daß im Sollzustand ihre Differenz, die im folgenden als Regelabweichung bezeichnet werden, soll, verschwindet. Der Stellmotor erhält also so lange einen Strom in der entsprechenden Richtung, bis dieser Sollzustand wiederhergestellt ist. Er ist gewissermaßen an die dem Sollzustand entsprechende Stellung gefesselt, ίο und jede gewaltsame Verstellung der Elektrode aus dieser Lage ruft eine Rückstellkraft hervor, die mit wechselnder Abweichung von der betreffenden Stellung zunimmt und bei Annäherung an diese allmählich bis zum Verschwinden kleiner wird. Es liegen somit die gleichen Verhältnisse vor wie bei einem Pendel. Während es wünschenswert wäre, daß der Stellmotor beim Zurücklaufen in die Solllage dort stehenbliebe, pendelt er in. Wirklichkeit mit großer Geschwindigkeit über sie hinaus, weil er bis zur Sollage dauernd beschleunigt wird und beim Durchgang durch diese Lage die Höchstgeschwindigkeit hat. Wegen der stets vorhandenen Reibung klingen die hierdurch ausgelösten Pendelungen zwar allmählich ab, es ist jedoch aus naheliegenden Gründen anzustreben, daß sie möglichst schnell abklingen, oder gar nicht erst auftreten.

Zur Vermeidung der geschilderten Pendelung schlägt die Erfindung vor, daß der die Regelabweichung darstellenden Indikator-Gleichspannung, die durch Gegeneinanderschaltung einer dem Lichtbogenstrom und einer der Lichtbogenspannung proportionalen Gleichspannung gebildet wird, eine der Drehzahl des Stellmotors proportionale Gleichspannung überlagert wird.

Bei einer Anordnung nach der Erfindung wird also auf den Motor ein Dämpfungsmoment ausgeübt, welches von seiner Drehzahl abhängt. Er wird mit einem resultierenden Moment angetrieben, welches gleich der Differenz zwischen dem von der Regelabweichung und dem von der Drehzahl abhängigen Drehmoment ist. Beim Einlaufen des Motors nach der Sollage nimmt das von der Regelabweichung herrührende Moment ab, je näher die Elektrode der Sollstellung kommt. Deshalb wird bereits vor Erreichen der Sollstellung das resultierende Moment zu Null und kehrt sogar sein Vorzeichen um, so daß es in der Sollstellung selbst auf jeden Fall Null ist. Der Motor wird also bereits vor Erreichen der Sollage gebremst und läuft, wenn man das drehzahlabhängige Dämpfungsmoment groß genug macht, mit ganz niedriger Geschwindigkeit in die Sollage ein.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß man in die Regelung noch eine weitere, der Beschleunigung des Motors proportionale Regelspannungskomponente einführt. Bei auftretender Beschleunigung bewirkt sie eine Verminderung der Fesselung des Motors an seine Solllage. Bei einer freien Schwingung des Systems führt dies zur Beruhigung. Bei einer erzwungenen Bewegung bewirkt die beschleunigungsabhängige Regelkomponente dagegen, daß der Stellmotor und damit der Istwert der Regelung dem geforderten Sollwert nachhinkt. Wenn dies unerwünscht ist, kann man die beschleunigungsabhängige Kornponente noch durch eine Regelspannung kompensieren, die der zeitlichen Änderung der Regelabweichung selbst proportional ist. Bei einer Änderung der Regelabweichung erhält dann der Motor sofort den Befehl, seine Geschwindigkeit zu ändern und braucht nicht erst abzuwarten, bis sich nun tatsächlich ein größerer Absolutwert der Regelabweichung eingestellt hat.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel hervor. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich nur auf eine Phase des Lichtbogenofens, deren Elektrode 20 an die Phase T des Großstromnetzes RST angeschlossen ist. Der mit 22 bezeichnete, konstant erregte Gleichstrom-Stellmotor wirkt über ein nicht näher dargestelltes Getriebe 21 auf die Elektrode 20 ein. Als Regelorgan für den Ankerstrom des Stellmotors dient eine Anordnung von steuerbaren Entladungsstrecken 23, über die der Motoranker an das Wechselstromnetz RS angeschlossen ist. Die resultierende Regelgröße ist eine Gleichspannung, die mittels eines magnetischen Modulators 25 in eine Wechselspannung umgewandelt wird, welche sich nach Größe und Vorzeichen mit der Regelspannung ändert. Die Ausgangswechselspannung des magnetischen Modulators 25 wirkt über einen Röhrenverstärker 24 auf die Steuerung der Entladungstreckenanordnung 23 in der Weise ein, daß sich der Motorstrom oder, genauer gesagt, dessen zeitlicher Mittelwert ebenfalls proportional mit der Regelgleichspannung ändert.

Die Regelabweichung wird gebildet durch die Differenz zweier Gleichspannungen, die an den Widerständen 32 und 33 abgegriffen werden und von denen die eine dem Lichtbogenstrom, die andere der Lichtbogenspannung proportional ist. Zu diesem Zweck ist der Widerstand 32 über einen Trokkengleichrichter 30 an einen in der Lichtbogenzuleitung liegenden Stromwandler 28, der Widerstand 33 über einen Gleichrichter 31 an einen an der Lichtbogenspannung liegenden Spannungswandler 29 angeschlossen. Es ist auch eine Regelmöglichkeit von Hand vorgesehen. Hierzu braucht der Umschalter 34 nur nach oben gelegt zu werden. Die Regelabweichung wird dann durch eine an dem Potentiometer 35 willkürlich abgreifbare Gleichspannung ersetzt. Da, wie später noch dargelegt werden wird, die Geschwindigkeit des Stellmotors in den Eingangskreis der Regelung zurückgemeldet wird, schreibt man mit der Potentiometerspannung us unabhängig von der Belastung des Motors eine ganz bestimmte Geschwindigkeit vor, die sich kontinuierlich einstellen läßt.

Die der Geschwindigkeit des Stellmotors 22 proportionale Regelkomponente wird an einem Widerstand 27 abgegriffen, der von einer mit dem Stellmotor gekuppelten Tachometermaschine 26 gespeist wird. Eine aus dem Kondensator 41 und Widerstandes bestehende Reihenschaltung, welche unmittelbar an die Ankerklemmen des Stellmotors gelegt ist, liefert an den Widerstand 42 eine der

Motorbeschleunigung proportionale Gleichspannung. Die der Änderung der Regelabweichung proportionale Regelspannung wird an einem Widerstand 40 abgegriffen, der in Reihe mit einem Kondensator an der Regelabweichung liegt. Die Regelabweichung und die Geschwindigkeitskomponente einerseits und die Beschleunigungskomponente und die der Änderung der Regelabweichung proportionale Komponente andererseits werden paarweise einander galvanisch überlagert und getrennten Eingangswicklungen des Modulators 25 zugeführt.

Um ein Hinausfahren der Elektrode über die obere oder die untere Endlage zu verhindern, sind Endschalter 11 und 12 vorgesehen, die beim öffnen eine Bremsung und Stillsetzung des Stellmotors veranlassen. Ein Zeitrelais 4 sorgt dafür, daß der Anodenstromkreis der Entladungsstreckenanordnung 23 erst dann geschlossen wird, wenn die Kathoden der Entladungsgefäße die erforderliche Temperatur erreicht haben. Der Arbeitskontakt 9 a und der Ruhekontakt 9 b sind Hilf skontakte des Ofenschützes, welches bei Störungen, insbesondere bei Elektrodenkurzschlüssen, abfällt.

Zur Erläuterung des Regelvorganges sei zunächst angenommen, daß die beiden Endschalter 11 und 12 sowie das Ofenschütz geschlossen seien. Dann ist der Kontakt 9 α geschlossen, der Kontakt gb dagegen offen. Folglich ist das Relais 10 angezogen und hat seinen Kontakt 10 α geschlossen, den Kontaktlos geöffnet. Das Relais 3 ist über den Ruhekontakt 2 e des Endlagenrelais 2 ebenfalls angezogen und sein Kontakt 3 α geöffnet. Weil die Kontakte 4a und 5 a offen sind, ist das Relais 15 stromlos. Deshalb sind die Ruhekontakte 15 b, 60 geschlossen, das Schütz 7 erhält Spannung, und der Motor 22 ist über den Kontakt 7 b kurzgeschlossen und durch den Kontakt 6 b vom Netz abgeschaltet. Wird jetzt der Einschaltdruckknopf 36 geschlossen, so zieht das Relais 1 an und hält sich über Kontakt ι α selbst. Kontakt 1 b schließt sich und legt das Endlagenrelais 2 an Spannung. Kontakt 1 c schließt ebenfalls und schaltet das Zeitrelais 4 ein. Durch das Anziehen des Relais 2 schließen sich die Kontakte 2 a, 2 c und 2f, während sich die Kontakte 2 fr, 2d und 2e öffnen. Damit fällt das Relais 3 ab und schließt Kontakt 3 a.

Nach einiger Zeit schließt sich Kontakt 40- des Zeitrelais 4. Damit zieht Relais 5 an und schließt den Kontakt 5 a, der nun das Relais 15 zum Anziehen bringt. Dadurch fällt das Bremsschütz 7 ab, wobei die Kontakte 7 b, ja geöffnet werden und der Kontakt 7 c sich schließt. Das Schütz 6 zieht an, und die Kontakte 6 α und 6 b werden, geschlossen. 6 c unterbricht den Erregerstromkreis des Bremsschützes 7. Nunmehr ist der Motorstromkreis über die Entladungsgefäßanordnung geschlossen, und alle vier Regelspannungskomponenten wirken auf die Steuerung des Entladungsgefäßes ein. Die Elektrode 20 wird selbsttätig in der beschriebenen Weise geregelt.

Wird die Regelabweichung, die als Spannungsdifferenz an den Widerständen 32 und 33 zur Verfügung steht, zu groß, so zieht das Relais 8 an und öffnet seinen Kontakt 8 a. Dadurch wird durch Unterbrechung des Stromkreise der Tachometermaschine 26 die geschwindigkeitsabhängige Regelspannung unwirksam gemacht, so daß ihre dämpfende Wirkung fortfällt und die Regelung rascher verläuft als sonst, bis die Regelabweichung wieder einen kleineren Wert erreicht hat.

Das Abschalten der selbsttätigen Regelung wird durch öffnen, des Haltedruckknopfes 43 bewirkt, dadurch fällt Relais 1 und damit über den Kontakt ι b das Relais 2 ab. Kontakt 2 α öffnet, Kontakt 2 b schließt. Der weitere Vorgang verläuft umgekehrt wie der oben beschriebene Einschaltvorgang, der ja mit dem Anziehen des Relais 1 eingeleitet wurde. Im Verlauf dieses Vorganges wird zunächst über den wieder geschlossenen Kontakt 2 b und den noch geschlossenen Kontakt 6 a des Einschaltschützes 6 die Regelabweichung kurzgeschlossen, so daß in diesem Regelkreis nur noch die geschwindigkeitsabhängige Regelkomponente wirksam ist, die eine rasche Bremsung des Motors bewirkt. Da Kontakt 2 c geöffnet, Kontakt 2 d aber geschlossen hat, wird auch die beschleunigungsabhängige Regelkomponente durch eine geschwindigkeitsabhängige ersetzt. Sobald das Relais 2 abfällt, öffnet sich der Kontakt 2/ und schließt sich der Kontakt 2 e und legt das Zeitrelais 3 an Spannung. Nach einer bestimmten Zeit zieht das Relais 3 an, damit öffnen sich die Kontakte 3 a, und das Relais 15 wird nun stromlos. Hierdurch wird das Schütz 6 abgeschaltet und das Bremsschütz 7 eingeschaltet. Auf die Bremsung erfolgt nun noch eine Kurzschlußbremsung; der Stellmotor wird von der Entladungsstreckenanordnung 23 getrennt und durch Anziehen des Bremsschützes 7 über den Kontakt 7 b kurzgeschlossen und damit in seiner Lage festgehalten.

Wenn während der normalen Regelung das Ofenschütz fällt, beispielsweise weil die Elektrode das Schmelzgut berührt, so öffnet sich Kontakt ga und schließt sich Kontakt 9 b, Relais 10 fällt ab, der Kontakt 10a, iod öffnet sich, und die Kontakte 10 & und ioc schließen sich. Dadurch wird die Regelabweichung von der Regelung abgeschaltet und durch eine Spannung ersetzt, die an dem Potentiometer 37 eingestellt werden kann. Die letztgenannte Spannung wird so gewählt, daß sie eine Hebung der Elektrode bewirkt. Durch Kontakt 9 b wird das Relais 3 ebenfalls erregt und öffnet mit Verzögerung seine Kontakte 3 a. Damit fällt, weil iod offen ist, das Relais 15 ab. Wie schon oben geschildert wurde, wird der Kontakt 15 a geöffnet und 15 b geschlossen, und das Schütz 6 fällt ab. Das Bremsschütz 7 zieht an. Die Hebebewegung des Stellmotors 22 wird damit unterbrochen und der Motor über den Kontakt 7 b kurzgeschlossen. Die beschriebene Anhebung der Elek- trode vor Stillsetzung des Antriebes hat den Vorteil, daß zunächst einmal der die wahrscheinliche Ursache für das Fallen des Ofenschützes darstellende Kurzschluß beseitigt wird.

Erreicht die Elektrode während der normalen Regelung eine Endlage, z. B. die obere, so öffnet

der entsprechende Endschalter, im betrachteten Falle also der Endschaltern. Dadurch fällt das Endlagerelais 2 ab, und es läuft der gleiche Vorgang ab wie beim Öffnen des Haltdruckknopfes 43. Es besteht jedoch der Unterschied, daß nur der Motor bei derjenigen Phase stillgesetzt wird, dessen Elektrode die Endlage erreicht hat. In den anderen Phasen arbeitet die Regelung weiter. Es wird nämlich dafür gesorgt, daß das Relais 15 der nicht betroffenen Phasen nicht vom Öffnen der Kontakte 3 a berührt wird, sondern über den Kontakt 2 / weiter Spannung erhält. Will man nun die Elektrode aus der Endlage wieder herausführen, z. B. durch Handregelung mittels des Potentiometers 35, so muß dafür gesorgt werden, daß ein Steuerbefehl, der in der falschen Richtung gegeben wird, nicht befolgt wird. Hierzu dienen die polarisierten Relais

13 und 14, deren Kontakte 13 a und 14a je parallel zu einem der Endschalter 11 bzw. 12 liegen, Erhält der Motor durch, die Regeleinrichtung Spannung in der falschen Richtung, so zieht nur dasjenige der Relais 13 und 14 an, welches dem ohnehin noch geschlossenen Endlageschalter zugeordnet ist. Der geöffnete Endschalter wird also nicht überbrückt.

Kommt jedoch der Steuerbefehl in der richtigen Richtung, so wird der geöffnete Endschalter überbrückt, und die Elektrode fährt aus der Endstellung wieder heraus. In dem, als Beispiel betrachteten Fall, wo der Endschalter 11 geöffnet ist, würde also das Relais 13 nur dann seinen Kontakt 13» schließen, wenn der Motor im Sinne einer Elektrodensenkung Spannung erhält. Die Relais 13 und

14 erhalten ihre Spannung von dem Regler 23, dessen Eingang in der Bremsstellung des Motors nicht mehr kurzgeschlossen ist, sondern über die Kontakte το α und ja seine Kommandos erhält. Bei dieser Anordnung genügt schon die Regelabweichung in der gewünschten, also nicht gesperrten Richtung, um die Endlagenüberbrückung wirksam werden zu lassen. Es besteht also praktisch kein »toter Bereich« zwischen dem Hineinfahren und dem Herausfahren aus der Endlage.

Bleibt die Wechselspannung während des Betriebes weg, so bedeutet das einen Ausfall der Kathodenheizung der Entladungsröhre 23. In diesem Falle fällt das Relais 5 ab und öffnet seinen Kontakt 50- und schließt Kontakt 5 b. Die Relais 1, 2, 15 und die Schütze 6, 7 fallen, ab und bewirken die Bremsung und Stillsetzung der Elektroden-So bewegung. Kehrt die Wechselspannung wieder, so muß bei erneuter Einschaltung durch Betätigung des Einschaltdruckknopfes 36 erst wieder die Verzögerungszeit des Zeitrelais 4 ablaufen, bis der Anodenstromkreis der Entladungsgefäße wieder geschlossen wird.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   i. Elektrodenregelung für Lichtbogenofen, bei der der Stellmotor für die Elektrode nach Drehzahl und Drehrichtung mittels steuerbarer Gas- oder Dampfentladungsstrecken in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einer der Spannung und einer dem Strom des Lichtbogens proportionalen Spannung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß einer in an sich bekannter Weise die Regelabweichung darstellenden Indikator-Gleichspannung, die durch Gegeneinanderschaltung einer dem Lichtbogenstrom und einer der Lichtbogenspannung proportionalen Gleichspannung gebildet wird, eine der Drehzahl des Stellmotors proportionale Gleichspannung überlagert wird.

   2. Elektrodenregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Drehzahl des Stellmotors (22) proportionale Gleichspannung von einer mit dem Stellmotor gekuppelten Tachometermaschine geliefert oder durch die Ankerspannung des Stellmotors gebildet wird. ⁸< >

   3. Elektrodenregelung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelabweichung eine der Beschleunigung des Stellmotors (22) proportionale Gleichspannung überlagert wird. 8g

   4. Elektrodenregelung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelabweichung eine ihrem Differentialquotienten nach der Zeit proportionale Gleichspannung überlagert wird.

   5. Elektrodenregelung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Differentialquotienten ein Kondensator (41) dient, der in Reihe mit einem Widerstand (42) an der zu differenzierenden Gleichspannung liegt, so daß an dem Widerstand (42) eine dem Differentialquotienten dieser Gleichspannung proportionaler Spannungsabfall auftritt.

   6. Elektrodenregelung nach Anspruch 3 i°o und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Bildung der der Beschleunigung des Stellmotors (22) proportionalen Regelkomponente dienende Kondensatorkreis (41, 42) an den Ankerklemmen des Stellmotors (22) liegt.

   7. Elektrodenregelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Relais (8) vorgesehen ist, das die der Drehzahl des Stellmotors (22) proportionale Regelkomponente,

   z. B. durch Abschaltung der Tachometermaschine, unwirksam macht, wenn die Regelabweichung einen bestimmten Wert übersteigt.

   8. Elektrodenregelung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer von Hand oder durch Erreichung der oberen bzw. unteren Elektrodenendlage erfolgenden Stillsetzung der Elektrodenbewegung die Regelabweichung und gegebenenfalls auch die der Beschleunigung proportionale Regelkomponente unwirksam gemacht wird, so daß nur noch die Drehzahl des Stellmotors auf die Regelung einwirkt und eine Gegenstrombremsung des Stellmotors bis zum Stillstand bewirkt.

   9. Elektrodenregelung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem selbsttätigen Abschalten der Elektrode (20) infolge

   eines Überstromes vor der Stillsetzung der Elektrodenbewegung an Stelle der Regelabweichung in den Steuerkreis eine vorgegebene Spannung eingeführt wird, welche zunächst eine Anhebung der Elektrode bewirkt.

   ι o. Elektrodenregelung nach Anspruch ι bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endschalter (ii, 12), von denen der eine (11) bei Erreichung der oberen, der andere (12) bei Erreichung der unteren Elektrodenendlage öffnet, hintereinander im Spulenstromkreis eines beim Abfallen die Steuerung auf Stillsetzung der Elektrodenbewegung umschaltenden Relais (2) liegen und durch die Arbeit'skontakte (13a, 14a) zweier an der Speisespannung für den Stellmotor (22) liegender Relais (13, 14) überbrückt sind, welche so polarisiert sind, daß bei Stellung der Elektrode in einer der beiden Endlagen der geöffnete Endschalter nur dann kurzgeschlossen wird, wenn die Speisespannung das die Herausführung der Elektrode aus der betreffenden Endlage entsprechende Vorzeichen hat.

   11. Elektrodenregelung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung durch Umschalten auf ein von Hand betätigtes Potentiometer (31) durch eine willkürlich einstellbare Regelspannung ersetzt werden kann.

   12. Elektrodenregelung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei ausgeschaltetem Regelkreis der Anker des Stellmotors (22) durch ein Bremsschütz (7) kurzgeschlossen wird.

   13. Elektrodenregelung nach Anspruch 1 bis 12 mit von den Regelgrößen gesteuerten Glühkathoden-Entladungsgefäßen (23) im Stromkreis des Stellmotors (22), dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgtem Einschaltkommando für die Regeleinrichtung der Anodenstromkreis für die Entladungsgefäße durch ein Zeitrelais (4) erst nach Ablauf der zur Aufheizung der Kathoden notwendigen Zeitspanne geschlossen wird.

   14. Elektrodenregelung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitrelais (4) an der auch zur Kathodenheizung der Entladungsgefäße; dienenden. Wechselspannung liegt, so daß bei Ausfall und nachfolgender Wiederkehr der Wechselspannung die Wiedereinschaltung des Anodenkreises mit der Verzögerung des Zeitrelais erfolgt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 576 372, 684 699, 168;

   Industrial Electronics Reference Book der

   Westinghouse Electric Corporation, Aufsatz von

   K. P. Puchlowski: »Electronic Motor Control«,

   1948, S. 560, Fig. 29. 37;
   General Electric Review vom Juli 1947, Artikel

   von Heumann: »Basic Procedures in Motor Control«, Part. III, Amplidyne Control limits,

   S. 41 bis 48.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 809 552/38 6.58