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Regler für Elektroöfen mit Mehrphasenbogen Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf einen Regler für Elektroöfen mit Mehrphasenbogen, der die Stellung
der Elektroden in diesem Ofen beeinflußt und für jede Elektrode eine Vorrichtung
aufweist, die die Differenz zwischen einer dem Elektrodenstrom proportionalen Größe
und einer der Phasenspannung eines Hilfsnetzes proportionalen Größe mißt, wobei
der Sternpunkt des Hilfsnetzes an den Boden des Ofens angeschlossen ist.
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Die herkömmlichen Regler für Elektroöfen mit Mehrphasenbogen dienen
dazu, entweder den Elektrodenstrom oder den (resultierenden) Bogenwiderstand konstant
zu halten. Die erste Art der Regelung hat bei einem Dreiphasenofen den Nachteil,
daß die unabhängige Regelung der verschiedenen Elektroden bei einer Störung in einer
Phase nicht gewährleistet ist. Wird z. B. der Bogen in einer Phase unterbrochen,
so sinkt der Strom in den beiden anderen Phasen, so daß die entsprechenden Regler
die Bögen vorübergehend bis zur Wiederherstellung der Sollstromstärke in der gestörten
Phase verkürzen müssen. Dies kann, da zwei Elektroden das Bad zu berühren suchen,
zu einer Karburierung des Bades führen. Außerdem ergeben sich bei einem konstanten
Leistungsfaktor Schwankungen der vom Ofen aufgenommenen Leistung proportional den
Schwankungen der Netzspannung.
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Dagegen bietet die zweite Art der Regelung den Vorteil der völligen
Unabhängigkeit der einzelnen Elektrodensteuerungen voneinander, weil sie durch das
Verhältnis der Bogenspannung zum Elektrodenstrom gekennzeichnet ist. Eine Änderung
des Widerstandes eines Bogens beeinflußt nicht den Widerstand bei den beiden anderen
Reglern. Jedoch hat diese Art der Regelung den Nachteil, daß bei konstantem Leistungsfaktor
die vom Ofen aufgenommene Leistung proportional zum Quadrat der Schwankungen der
Netzspannung schwankt. Dieser letztere Umstand bei der Widerstandsregelung ist besonders
störend, wenn die Netzschwankungen groß sind und die gelieferte Energie vertraglich
begrenzt ist.
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Regler der eingangs geschilderten Art sind bereits bekannt. Sie arbeiten
mit Relais und können nur die Wirklast des Ofens regulieren. Die vorliegende Erfindung
ermöglicht es dagegen, zwei Regulierungsarten zu kombinieren und je nach Bedarf
vorzunehmen. Es ist erfindungsgemäß möglich, bei symmetrischer Ofenbelastung und
variabler Netzspannung die Wirklast zu regulieren sowie bei konstanter Netzspannung
und variabler Ofenlast eine Regulierung mit konstanter Bogenimpedanz vorzunehmen.
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Zu diesem Zweck ist der erfindungsgemäße Regler dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Hilfsnetz und dem den Ofen versorgenden Stromnetz ein Funktionsgenerator
vorgesehen ist, dessen Kennlinie eine Steigung Null oder eine negative Steigung
aufweist, derart, daß die verketteten Spannungen des Hilfsnetzes im Regelbereich
als Funktion der Spannungen des den Ofen versorgenden Stromnetzes gemäß dieser Kennlinie
variieren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich aus der Darstellung eines Ausführungsbeispiels und der nachstehenden
Beschreibung. Es zeigt F i g. 1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung.
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F i g. 2 eine schematische Skizze zur Veranschaulichung des in F i
g. 1 gezeigten Funktionsgenerators, F i g. 3 ein erläuterndes Diagramm, F i g. 4
eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des Funktionsgenerators
und F i g. 5 ein erläuterndes Diagramm.
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Die Vorrichtung 1. hebt oder senkt die Elektrode R gemäß der Angabe
der Differenz zwischen dem dem Elektrodenstrom lt proportionalen Strom i, und dem
der Phasenspannung eines Hilfsnetzes U, V, W proportionalen Strom i", wobei
der Sternpunkt O des Hilfsnetzes mit dem Boden des Ofens verbunden ist und seine
verketteten Spannungen UZ in Abhängigkeit von den Spannungen Ul des Ofenversorgungsnetzes
gemäß
der Kennlinie a oder b eines zum Regulator gehörenden Funktionsgenerators4
schwanken.
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In gleicher Weise steuern die Vorrichtungen 2 und 3 die Verschiebung
der Elektroden S, T. Diese drei Vorrichtungen 3., 2, 3 messen die Differenz
zwischen einer Größe il, i2, i3, die dem Elektrodenstrom 1,., IS, IT proportional
ist, und einer Größe i,!, iv, i"" die der einfachen Spannung eines Hilfsnetzes
u, v, w, dessen Sternpunkt O an den Boden N des Ofens angeschlossen
ist, proportional ist. Die verketteten Spannungen U2 dieses Hilfsnetzes variieren
im Regelungsbereich gemäß einer Funktion mit einer Steigung Null (a) oder
einer negativen Steigung (b).
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Es wird zunächst angenommen, daß das Element 4 ein Spannungsstabilisator
(Kennlinie a) ist, dessen Ausgangsspannung U., konstant ist, während die Spannung
U1 schwankt. Ist die Ofenbelastung symmetrisch, so bleiben die Ströme
i", i" und i", konstant, und die Vorrichtungen 1, 2 und 3 verschieben die
Elektroden R, S und T derart, daß die Elektrodenströme Ix, IS und 1T konstant bleiben.
Wenn umgekehrt die den Ofen versorgende Netzspannung U1 konstant ist und Impedanzschwankungen
bei einer der Ofenphasen vorliegen, so erhalten die Ströme i", i" und i,, Werte,
die den Spannungen zwischen den Elektroden und dem Ofenboden proportional sind.
In diesem Falle nehmen die Regler eine Impedanzregelung vor. Hat die Funktion des
Generators 4 die Steigung Null (a), so ergibt sich eine Impedanzregelung, deren
geregelter Wert proportional der den Ofen versorgenden Netzspannung schwankt. Die
Ofenleistung ist also der Netzspannung proportional.
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Es wird nun angenommen, daß der Funktionsgenerator 4 die Spannung
U2 linear senkt, während U1 steigt, und umgekehrt, entsprechend der Kennlinie b
des Funktionsgenerators. Ist die Ofenbelastung symmetrisch und sind die Spannungen
U2 veränderlich, so erhalten die Ströme i", i, und i", Werte proportional den Phasenspannungen
# des des Hilfsnetzes, und die geregelten Ströme IR, IS und 1T sinken linear in
Abhängigkeit von den Spannungen U1 und umgekehrt. Unter diesen Bedingungen ist in
einem bestimmten Bereich die vom Ofen verbrauchte Leistung in Abhängigkeit von den
Versorgungsnetzschwankungen konstant. In Spannungs-Strom-Diagramm ergibt sich der
Fehler durch die Differenz zwischen der Hyperbel konstanter Leistung und der Tangente
an diese Hyperbel im normalen Arbeitspunkt. Wenn umgekehrt die Spannungen U1 konstant
sind und die Ofenbelastung asymmetrisch, so erfolgt die Regelung mit konstanter
Impedanz.
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Hat der Funktionsgenerator 4 eine passend gewählte negative Steigung,
so erhält man eine Impedanzregelung, deren gesteuerter Wert etwa mit dem Quadrat
der Versorgungsspannung des Ofens schwankt. Bei geringen Netzspannungsschwankungen
bleibt daher die vom Ofen verbrauchte Leistung praktisch konstant.
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Es läßt sich eine Regelung mit unbedingt konstanter Leistung erzielen,
indem man dem Funktionsgenerator 4 eine hyperbolische Kennlinie gibt, was jedoch
ohne praktischen Wert ist, angesichts der verhältnismäßig schwachen Schwankungen
des den Ofen versorgenden Netzes und der ausgezeichneten Annäherung, die man erhält,
indem man dem Element 4 ein konstantes negatives Gefälle verleiht. Aus technischen
Gründen ist es vorteilhaft, daß die verkettete Spannung U2 des Hilfsnetzes niedriger
als die Spannung Ui des Ofens ist. Unter diesen Bedingungen ist es, wenn der Sternpunkt
des Hilfsnetzes direkt mit dem Boden N des Ofens verbunden ist, möglich, daß bei
einem Kurzschluß zwischen der Elektrode und dem Ofenboden der Sternpunkt O aus dem
durch die drei verketteten Spannungen U2 gebildeten Dreieck heraustritt, was zur
Folge hätte, daß die Impedanzdifferenz falsch gemessen wird. Dies kann passieren,
wenn der Widerstand des Ofenbodens, verglichen mit der Impedanz der Spannungsmeßsysteme
der Regler, sehr niedrig ist. Um dies zu vermeiden, genügt es, zwischen den Anschluß
des Ofenbodens und den Sternpunkt des Hilfsnetzes einen Widerstand 5 zu schalten,
wie dies in F i g. 1 gezeigt ist.
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Der Wert dieses Widerstandes muß so gewählt sein, daß er den im Spannungsmeßsystem
eines Reglers fließenden Strom kompensiert, während die entsprechende Elektrode
mit dem Ofenboden kurzgeschlossen ist. Da der Widerstand des Bodens eines Elektroofens
niemals Null ist, ist in der Mehrzahl der Fälle der Widerstand 5 nicht erforderlich.
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Das in F i g. 2 dargestellte Schema zeigt als Beispiel die Verwirklichung
der Kennlinie a des Funktionsgenerators 4.
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Zwischen den Phasen des den Ofen versorgenden Stromnetzes sind im
Dreieck die Elemente 6, 7, 8 mit nichtlinarer Kennlinie geschaltet (Selbstsättiger
oder Zenerdioden), deren innere Impedanzen von einem praktisch unendlichen Wert
bis praktisch Null reichen, wenn die angelegte Spannung den Sättigungswert US erreicht.
Wenn dieser Wert überschritten wird, ergeben die in den Reihenwiderständen 9, 10
und 11 fließenden Ströme Spannungsabfälle, mit denen es möglich ist, die Spannung
Uz des Hilfsnetzes aufrechtzuerhalten, wenn die Primärspannung U1 den kritischen
Wert US überschreitet. In diesem Fall ist U2 gleich US.
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Der Verlauf der Abweichung U2 als Funktion von U1 ist in F i g. 3
dargestellt.
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Um die Kennlinie b des Funktionsgenerators 4 zu erhalten, kann man
beispielsweise die Anordnung nach F i g. 4 benutzen. Sie weist außer den Elementen
6, 7 und 8 mit nichtlinearer Kennlinie und den Reihenwiderständen 9, 10 und 11 Spartransformatoren
12, 13 und 14 auf, die primärseitig mit den Reihenwiderständen parallel geschaltet
sind und sekundärseitig mit den Reihenwiderständen 15, 16 und 17 des Sekundärnetzes
verbunden sind. Ist die Sättigungsspannung der Elemente nichtlinearer Kennlinie
erreicht, so fließen von den Spartransformatoren den Spannungen an den Anschlüssen
der Widerstände 9, 10 und 11 proportionale Ströme in die Widerstände 15, 16 und
17. Diese Ströme rufen Spannungsabfälle hervor, mittels deren die in F i g. 5 dargestellte
Kennlinie erzielt wird.
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Diese Elemente müssen derart bemessen sein, daß der dem Primärspannungswert
U" entsprechende Nennarbeitspunkt in dem Teil der Kennlinie mit konstantem und negativem
Gefälle liegt.