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Regeleinrichtung mit einem hydraulischen Stellmotor Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zur stetigen Elektrodenregelung in Lichtbogenöfen
mit einem hydraulischen Elektrodenstellorgan, dessen im hydraulischen Kraftübertragungsweg
in Regelabhängigkeit von einem elektrischen, von Elektrodenstrom und -spannung beeinflußten
Regelverstärker stehendes Steuerorgan eingangsseitig mit zwei auf unterschiedlichen
Drücken gehaltenen Druckspeichern verbunden ist, von denen der mit dem höheren Druck
allein der Hebebewegung, der andere allein der Senkbewegung zugeordnet ist, wobei
auf den Regelverstärker eine von mechanischen Größen der Regelstrecke abgeleitete
Rückführung gegeben wird.
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Es ist bei Lichtbogenöfen in der Hüttenindustrie und anderen mit Elektroden
arbeitenden Öfen, z. B. Reduktionsöfen in der chemischen Industrie, an sich bereits
bekannt, hydraulische Regelungen für die Elektrodenverstellung vorzusehen. Bei derartigen
Regeleinrichtungen wird vielfach ein hydraulischer Verstellmotor verwendet, der
mit Hilfe eines Druckmittels, z. B. Wasser oder Drucköl, über einen Stellkolben
den Abstand der Elektrode vom Bearbeitungsgut in gewünschter Weise einregelt.
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Es ist eine elektrohydraulische Elektrodenverstelleinrichtung bekannt,
bei welcher zwei Druckspeicher mit unterschiedlichen Drücken vorgesehen sind, wobei
der eine für das Heben und der andere für das Senken der Elektroden bestimmt ist.
Solange zwei elektrische Grenzwertrelais für den Elektrodenstrom bzw. die Elektrodenspannung
noch nicht angesprochen haben, steht ein hydraulischer Verstellmotor über einen
Sperrschieber dauernd unter dem Einfluß des Druckspeichers mit dem geringeren Druck,
wodurch ein langsames Absenken der Elektrode bewirkt wird. Im Verlauf dieser Absenkung
kommt es dann zum Ansprechen eines der beiden Grenzwertrelais, und für die Dauer
des Ansprechens erfolgt dann ein Heben der Elektroden. Die Elektroden sind dauernd
in Bewegung, und es kann mit dieser Art von Zweipunktregelung allenfalls ein ständiges
Hin- und Herpendeln um den "optimalen Betriebspunkt erzielt werden, abgesehen davon,
daß die Regelgeschwindigkeit zumindest in Senkrichtung bewußt groß gehalten wird.
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Die Erfindung bezweckt eine Erhöhung der Regelgeschwindigkeit und
eine Verbesserung der Regeldynamik bei der Regelung der Elektrodenstellung. Zur
Verkleinerung der Ansprechgeschwindigkeit bei einer rein elektrischen Elektrodenregeleinrichtung
ist der Vorschlag bekannt, die Schwungmasse des elektrischen Antriebsmotors durch
Verringern seines Läuferdurchmessers unter gleichzeitiger Vergrößerung seines Läufers
zu verkleinern. Da die Elektroden ein beträchtliches Gewicht aufweisen, erfordert
ein derartiger Antrieb entweder ein gleich großes Gegengewicht - was die träge Masse
der gesamten Anordnung vergrößert -, oder der Antriebsmotor muß im stationären Betriebsfall
ein großes Haltemoment aufbringen, wodurch er entsprechend größer dimensioniert
werden muß.
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Die Erfindung geht demgegenüber einen anderen Weg. Sie ist dadurch
gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zur Vergrößerung der Regelgeschwindigkeit
ein trägheitsarm nach dem Impulszeitmodulationsverfahren arbeitender Schalttransistorregelverstärker
für die Betätigung des Steuerorgans vorgesehen ist und daß zur Aufrechterhaltung
der Drücke beide Druckspeicher miteinander und gegebenenfalls mit einer Speiseleitung
durch von den Drücken in den Speichern abhängig geregelte Pumpen und/oder Druckreduziermitteln
verbunden sind.
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Die Erfindung ermöglicht eine schnelle und feinstufige Elektrodenregelung,
welche auch noch den Vorteil aufweist, daß die zwischen den Druckspeichern angeordnete
Pumpe nur für den geringen Differenzdruck der beiden Druckspeicher auszulegen ist.
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An Hand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert werden.
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Bei dem- dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine
Elektrodenregelung, bei der die Regelgröße durch die Elektrodenströme gebildet oder
hiervon hergeleitet wird. Ein hydraulischer Stellkolben, welcher als hydraulischer
Stellmotor zur Bewegung der Elektroden dient, wird durch ein hydraulisches .Steuerorgan
beeinflußt. Die Verstellung des hydraulischen Steuerorgans selbst vollzieht sich
wiederum
unter dem Einfluß einer elektromechanischen Anordnung, die im Ausgang des elektrischen
Verstärkers liegt. .: _ Der elektrische Verstärker 1 wird durch einen mehrstufigen
Transistorverstärker gebildet, auf dessen Eingang die Regelgröße aufgegeben wird.
Das Leitungspaar2 übermittelt eine von der Elektrodenspannung hergeleitete, das
Leitungspaar 3 eine vom Elektrodenstrom hergeleitete Größe. Der Transistorverstärker
1 ist als Amplivibratorverstärker ausgebildet, bei dem mindestens im Ausgangskreis
ein Transistor oder mehrere Transistoren im Impulszeitmodulationsverfahren betrieben
werden. Die stetig veränderbare Eingangssteuergröße des Verstärkers erscheint dabei
am Ausgang des Verstärkers als rechteckförmiges Signal, dessen Tastverhältnis, also
das Verhältnis von Impulsdauer zur Impulspause, der steuernden Eingangsgröße proportional
ist. Das Amplivibratorprinzip, das durch an sich bekannte Maßnahmen und Schaltungen
verwirklicht werden kann, gestattet es, einen Transistor mit einer bestimmten Verlustleistung
so auszusteuern, daß -eine Ausgangsleistung erzielt wird, welche um Größenordnungen
höher liegt. Wenn beispielsweise ein Transistor im Ausgang mit einer Verlustleistung
von 3 W Verwendung findet, dem eine hundertfach höhere Ausgangsleistung entnommen
werden kann, so läßt sich hieran eine elektrische Maschine ein Magnetverstärker
oder eine andere Einrichtung anschließen, deren Ausgangsleistung mehrere Kilowatt
beträgt und deren Eingangsleistungsbedarf ungefähr bei Werten von 300 W liegt.
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Der Ausgang des Verstärkers 1 arbeitet auf eine Tauchspulenanordnung
4, welche eine möglichst geringe Masse aufweisen soll, damit entsprechend der Vielseitigkeit
des möglichen Regelverhaltens schnelle Regelungsbewegungen vollzogen werden können.
Mit dem Tauchspulenkörper 5 ist ein Kolbendoppelschieber 6 starr verbunden, der
die Zuleitungen 7 und 8 von zwei Druckbehältern zu dem Zylinder 9 des hydraulischen
Stellmotors 10 zu sperren vermag. Die beiden Druckbehälter sind mit 11 und
12 bezeichnet und mit Druckflüssigkeit, z. B. Wasser oder Drücköl, in der dargestellten
Weise gefüllt. Die beiden Druckbehälter 11 und 12 weisen in ihrem Inneren unterschiedlichen
Flüssigkeitsdruck auf. In der Mittellage des Kolbendoppelscbiebers 6 sind die beiden
Leitungen 7 und 8 gesperrt, während bei Abweichungen aus der Mittellage nach oben
oder unten die eine oder andere der beiden Leitungen geöffnet wird.
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Das Gewicht des Kolbens 13 des hydraulischen Stellmotors mit dem daran
befindlichen Gestänge 14 und dem Elektrodenträger 15 muß von dem Druck auf den Stellboden
13 im Ruhezustand gerade entnommen werden. Wenn das im Zylinder wirksame Gewicht
mit G bezeichnet ist, muß also G = Po . F
sein, wobei F die Fläche
des Kolbens bezeichnet.
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Damit der Stellkolben nach oben oder unten bewegt werden kann, muß
der Druck p von diesem Mittelwert um einen Wert dp abweichen. Der Behälter 11 wird
nun auf dem Druck p. -dp gehalten. Dazu dient beim Behälter 11 die Pumpe 16, die
z. B. über eine Druckregeleinrichtung den Druck po -dp mit hinreichender Genauigkeit
hält. Eine zweite Pumpe, die mit 17 bezeichnet ist; fördert vom Behälter 11 in den
Behälter 12 und erhält eine selbsttätige Regelung zum Einhalten eines konstanten
Differenzdruckes von 2 - dp. Die beiden Regeleinrichtungen -sind mit 18 und
19 bezeichnet. Die Pumpe 16 hat nur den-Wasserverlust der ganzen Anlage zu ersetzen,
ebenso muß die Pumpe 17 nur die Leckverluste des Kolbenschiebers 6 ausgleichen,
da die beim Arbeiten der Regelung notwendigen schnellen Änderungen des Flüssigkeitsvolumens
im Stehzylinder 9 durch die vorhandenen Luftpolster in den Behältern 11 und 12 entnommen
werden, ohne daß dabei große Druckänderungen in diesen Behältern auftreten.
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Die Rückführung für die Regeleinrichtung, welche mit Hilfe des Verstärkers
1 vorgenommen wird, kann auf verschiedene Weise realisiert werden. So kann man durch
ein geeignetes elektrisches Netzwerk 20 eine Rückführung vom Ausgang des Verstärkers
1 auf den Verstärkereingang selbst oder den Eingang einer seiner Verstärkerstufen
bewerkstelligen.
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Es ist aber auch möglich, mit einer elektrischmechanisch wirkenden
Einrichtung, z. B. einem Verstellwiderhand21, zu arbeiten, wobei über ein Hebelgestänge
22 der Abgriff 23 am Widerstand 21 in Abhängigkeit vom Stellweg des Kolbenschiebers
bewegt wird. Eine an den äußeren Zuleitungen des Widerstandes 21 befindliche Hilfsspannungsquelle
24 bewirkt unterschiedliche Spannungen an den Leitungen 25 und 26, die dem Verstärker
1 an geeigneter Stelle zugeführt werden.
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Schließlich ist es auch möglich - vom Stellweg des Stellkolbens bzw.
der Elektrode selbst ausgehend -, eine elektrische Größe von dieser mechanischen
Verstellbewegüng- herzuleiten. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies
dadurch versinnbildlicht, daß vom Gestänge 14 über ein Seil 27 eine Tachomaschine
28 in Bewegung gesetzt wird. Die Tachomaschine 28 liefert an ihre Ausgangsleitungen
29, 30 eine von der Geschwindigkeit der Verstellbewegung abhängige Spannung,
die über eine einen Meßwertumförmer, ein Netzwerk und gegebenenfalls noch einen
Vorverstärker enthaltende Einrichtung 31 über die Leitungen 32 und 33 dem Verstärker
1 zugeführt wird. Begrenzungen des Hubes des Stellkolbens können durch Schalter,
die auf den Eingang des Verstärkers 1 wirken, oder durch mechanische Anschläge in
Verbindung mit überdruckventilen vorgenommen werden.
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Die Tauchspule kann mit dem Kolbenschieber gegebenenfalls konstruktiv
auch so vereinigt sein, daß keine Stopfbüchsen erforderlich sind und dadurch die
auftretende Reibung stark verringert werden kann. Der Stellkolben 6 kann gegebenenfalls
auch durch einen Elektromotor bewegt werden, der vom Ausgang des Verstärkers 1 mit
einer verhälnismäßig hohen Frequenz versorgt wird, so daß seine Anlaufzeit genügend
klein gehalten werden kann. Ein solcher Motor wird dann zweckmäßig mit einem stillstehenden
Läufereisen ausgerüstet, so daß nur der Kurzschlußkäfig rotiert.
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Weiterhin ist es nicht unbedingt notwendig, zwei getrennte Pumpen
16 und 17 zu verwenden, denn man könnte auch daran denken, die Pumpe 17 wegfallen
zu lassen und statt dessen dafür sorgen, daß die Pumpe 16 den höheren Druck aufrechterhält,
wobei dann mit Hilfe eines Reduzierventils auf die niedrigere Druckstufe übergegangen
werden kann.
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Statt des in der Figur dargestellten Steilkolbens in Gestalt des Kolbendoppelschiebers
6 wäre es gegegebenfalls auch möglich, Ventile zu verwenden.
So
könnten beispielsweise zwei Ventile angewendet werden, welche so miteinander gekoppelt
sind, daß das eine schließt, wenn das andere öffnet. Der Abstand zwischen dem Kolbendoppelschieber
6 und dem hydraulischen Stellmotor 10 wird zweckmäßig möglichst kurz gehalten und
die Verbindung durch ein starres Rohr hergestellt. Demgegenüber kann der Verstärker
l und das Rückführungsnetzwerk 20 an beliebiger Stelle, also auch räumlich weit
getrennt vom hydraulischen Stellmotor, untergebracht werden. Die Verbindungsleitungen
7 und 8 können gegebenenfalls durch biegsame Schläuche mit genügender Druckfestigkeit
gebildet sein. Eine Beschädigung einer solchen Leitung würde unter Umständen die
Gefahr hervorrufen, daß die Elektrode in das Bad fallen kann. Außerdem würden sich
die Druckbehälter plötzlich entleeren. Es kann daher zweckmäßig sein, Ventile an
den beiden Enden dieser Schlauchleitung einzubauen, die auf eine Umkehrung der Strömung
an einer Stelle gemeinsam ansprechen und die Zuleitung verschließen.