Einrichtung zur Verminderung der Spannungsschwankungen bei Anschluss eines variablen Verbrauchers an ein ein- oder mehrphasiges Netz Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Verminderung der Spannungsschwankungen bei An- schluss eines variablen Verbrauchers an ein ein- oder mehrphasiges Netz.
Prinzipiell können Stromschwankungen an einem Speisetransformator, die Spannungsschwankungen verursachen, rasch durch sättigungsfähige Dross,e@lspulen mit einer sehr flachen Charakteristik absorbiert werden, aber solche Drosselspulen müssen in Reihe mit Konden satoren verbunden werden, :damit einerseits eine ausrei chend flache Charakteristik und andererseits eine genü gend hohe Amplitude der Spannungsschwankung erzielt wird.
Die vorliegende Erfindung liefert eine viel einfa chere Einrichtung im Speisenetz.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist gekennzeich net durch eine im Betrieb die Sättigung erreichende Drosselspule, welche mindestens eine induktive Haupt wicklung aufweist, :die an das Versorgungsnetz derart angeschlossen ist, dass die Drosselspule einen zum varia blen Verbraucher zusätzlichen Verbraucher bildet, fer ner gekennzeichnet :durch induktive Mittel:
zur elektri schen oder magnetischen Kopplung der genannten Drosselspule mit dem Verbraucher derart, dass die Drosselspule in Abhängigkeit von den Schwankungen des Belastungsstromes des Verbrauchers beeinflusst wird, wobei die genannte Kopplung so gewählt ist, dass die Drosselspule den Schwankungen des Belastungsstro mes entgegenwirkt um den vom Netz gelieferten Strom praktisch konstant zu halten.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige Ausfüh- rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 und 2 sind Schaltschema von Einrichtungen zur Verminderung von Spannungsschwankungen bei kleinen Lichtbo,genöfen, Fig. 3 und 4 zeigen Details .einer modifizierten Ein richtung für grosse Lichtbo:genöfen, Fig. 5 bis 11 zeigen die Schaltschema von sieben weiteren Ausführungsbeispielen.
In Fig. 1 wird ein elektrischer Lichtbo:genofen 1 ge- zeigt, der von einem Drehstromnetz 2 über einen Trans formator 3 gespeist wird.
Dieser Transformator 3 hat eine sterngeschaltete Primärwicklung 4, die mit dem Netz verbunden ist und eine Sekundärwicklung 5, die an die Elektroden des Ofens 1 angeschlossen ist. Die Anordnung weist ferner induktive Mittel R auf, welche aus drei Wicklungen 6 bestehen, wobei jede Wicklung in Reihe mit einer Phase der Primärwicklung 4, zwischen dem Transformator und dem Versorgungsnetz geschaltet ist.
Jede Wicklung 6 ist mit einer Anzapfung versehen und zwischen den Anzap- fungen und dem Sternpunkt der Primärwicklung sind drei sterngeschaltete Wicklungen W einer sättigungsfä- higen Drosselspule 7 angeschlossen.
Die induktiven Mittel R verbinden die sättigungsfä- hige Drosselspulz 7 mit .dem Transformator 3, wobei die Anzapfungsstellen auf den Wicklungen 6 so gewählt sind, dass beim Auftreten von Stromschwankungen am Transformator 3, infolge von Unterbrechungen des Lichtbogens eine Spannungsschwankung über ,den Wicklungen :
der sättigungsfähigen Drosselspule 7 erzielt wird und diese Spannungsschwankung ist in der Grösse ausreichend, um ohne jede Verzögerung die Drossel- spule zu sättigen, wodurch Stromschwankungen am Transformator von der sättigungsfähigen Drosselspule absorbiert wenden.
Es ist ersichtlich, :das;s die Einrichtung, welche zur Verminderung von Spannungsschwankungen wirksam ist, sehr einfach ist, da die Drosselspule 7 weder mit Sekundärwicklungen noch mit Reihenkondensatoren verbunden ist.
Die in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsform ist im Prinzip ähnlich derjenigen gemäss Fig. 1, aber die Wick lungen W sind in diesem Falle in einer primären Drei- eckschaltung angeordnet.
Bei sehr grossen Öfen ist jedoch die Streureaktanz des Transformators so, gross, :dass äussere Drosselspu len, wie die Drosselspulen 6, nicht benötigt werden.
In diesem Falle ist es notwendig eine besondere Wicklung in einer solchen Lage zwischen der Sekundärwicklung und der Primärwicklung des Transformators 3 anzubrin gen, dass der Effekt dem entspricht, welcher er halten würde,
wenn ein erheblicher Teil der Streureak- tanz des Transformators ausserhalb des Transformators und äquivalent mit den Wicklungen der Fig. 1 und 2 wäre.
Die Anordnung einer solchen Sonderwicklung bzw. Zwischenwicklung würde. in der Praxis von der Kon struktion des Ofentransformators ,abhängig sein und kann verschiedene Formen annehmen.
Eine solche Anordnung wird in Fig. 3 gezeigt, die im Detail einen Schnitt durch einen Teil des Transforma tors 3 veranschaulicht, wobei die Wicklung 8 zwischen der Primärwicklung 4 und der Sekundärwicklung 5 sich befindet, und die Wicklungen 8 und 4 so angeordnet sind, dass sie eine möglichst grosse Streureaktanz liefern.
Die Wicklungen 8 und 5 sind vorzugsweise mit Papier durchschossen damit die Streureaktanz zwischen diesen Wicklungen auf einem Minimum gehalten wird.
Fig. 4 zeigt die elektrischen Anschlüsse für eine Sold che Einrichtung, die der Einfachheit halber einphasig ge- wählt wurde, aber auch mehrphasig sein kann.
Gemäss Fig. 4 ist die Wicklung W in Serie mit der Zwischenwicklung 8 an das Versorgungsnetz 2 geschal tet. Auch die Primärwicklung 4 ist mit dem Netz 2 ver bunden, während die Sekundärwicklung 5 an die Elek troden des Ofens angeschlossen ist. Diese Schaltung wird näher mit Bezug auf Fig. 6 erläutert werden. Es ist ersichtlich, dass sie in den Einrichtungen gemäss Fig. 10 und 11 verwendet werden kann.
Ein Vorteil der vorgeschlagenen Einrichtung liegt darin, dass die beträchtliche Reaktanz in Reihenschal- tung mit den Wicklungen W ,
der sättigungsfähigen Droh selspule die Erzeugung von Oberwellen übermässiger Amplitude durch die Drosselspule 7 verhindert. Die er zeugten Oberwellen haben wahrscheinlich die Grössen- ordnung der vom Lichtbogenofen verursachten Ober wellen.
Andererseits kann es vorteilhaft sein isotropen Stahl zu verwenden, weil dies die sättigungsfähigen Drossel spulen in grösserer Entfernung vom Ofen anzuschliessen gestattet, so dass sie die Stabilität des Lichtbogens. weni ger stören.
In gewissen Anwendungen können ,die sättigungsfä higen Drosselspulen die Gefahr der Lichtbogenlöschung erhöhen. Dieses Risiko kann auf das kleinste Mass zu- rückgeführt werden durch Überlagerung der Netzfre quenz mit einer Hochfrequenzschwingung zur Lieferung der nötigen Zündspannung, jederzeit ähnlich wie bei einigen Methoden der Lichtbogenschweissung.
Die Schaltung gemäss Fig. 5 entspricht im wesentli- chen .derjenigen gemäss Fig. 1, aber sie ist einphasig. In dieser Schaltung wird ein Verbraucher, z. B. ein Licht bogeno.fen über den Transformator 3 vom Versorgungs netz 2 gespeist.
Die Wicklung 6 einer Drosselspule R mit Luftspalt ist in Reihe mit der Primärwicklung 4 ge schaltet und die Wicklung W der sättigungsfähigen Dros selspule 7 ist durch einen Schalter 11 zwischen einer Netzklemme und einer Anzapfung der Wicklung 6 ge schaltet. Der Transformator 3 hat eine Primärwicklung 4 und eine Sekundärwicklung 5, die mit den Ofenelek troden verbunden ist.
Die Anzapfung an der Wicklung 6, welche auf opti male Abstimmung durch Anzapfungsumschaltun,g einge stellt werden kann, ist so gewählt, ,dass die Spannung über der Wicklung W ohne Verzögerung den Schwan kungen der Belastung zwangsweise folgt und demzufolge werden die Stromschwankungen am Transformator 3 absorbiert.
Wird unter den genannten Bedingungen die Wick lung 6 im Verhältnis
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angezpaft, so kann gezeigt werden, dass die Spannung über .der sättigungsfähigen Drosselspule 7 bestimmt wird durch: E2 = El - (1-n) (Ei - Es) oder
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wobei El die Netzspannung, E2 die Spannung über der sättigungsfähigen Drosselspule und Es die primäre Spannung des Transformators bezeichnet.
Dies zeigt, dass die Spannung an der Wicklung W der .sättigunsfähigen Drosselspule 7 zur Erfüllung der Be- ,dingung für das Unterdrücken von Spannungsschwan kungen aus der Netzspannung und .der Transformator spannung erhalten werden kann, ohne die Wicklungen 6 mit Anzapfungen zu benötigen.
Dies ist ,dann besonders vorteilhaft, wenn hohe Belastungen die Verwendung von Drosselspulen mit Anzapfungen unpraktisch machen infolge .der grossen Streureaktanz des Transformators 3.
Eine Variante zur Auswertung dieses Resultates wird in Fig. 6 gezeigt, wobei der Einfachheit halber ein Einphasen-Stromkreis gewählt wurde. In der Praxis kann diese, Einrichtung auch für einen Dreiphasen stromkreis verwendet werden.
In Fig. 6 ist die sätti,bungsfähige Drosselspule 7 in Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators 12 geschaltet, dessen Primärwicklung mit dem Verbraucher 1 verbunden ist, wobei der Transformator die indukti ven Mittel R bildet, welche die sättigungsfähige Drossel" spule 7 mit der Primärwicklung :des Transformators 3 kuppelt zum Zwecke der Absorption von Stromschwan kungen.
Das Übersetzungsverhältnis des Transformators 3 ist
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und demzufolge ist die Ausgangsspannung dieses Trans formators
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wobei<B>El,</B> die Spannung am Verbraucher bezeichnet und n .den ihm verliehenen zahlenmässigen Wert auf weist.
Daraus folgt, dass die Spannung an der sättigungsfä higen Drosselspule in diesem Fall bezeichnet wird durch:
EMI0002.0146
Damit können :die Bedingungen für eine optimale Verminderung der Spannungsschwankungen erfüllt wer den.
Dies erfordert, dass ,der Arbeitspunkt der Drossel spule sich am Knie der Sättigungscharakteristik befin det, wenn Es = 0, d. h. wenn die Elektrode des Ofens kurzgeschlossen ist, und dass die Zeitkonstante der sätti- gunsfähigen Drosselspule kleiner als 10 ms sei. Einige zusätzliche Widerstände können, wenn nötig, vorgese hen werden, welche in Reihe mit der sättigungsfähigen Drosselspule geschaltet sind.
Fig. 7 zeigt einen anderen Stromkreis, wobei das selbe Prinzip verwendet wird, .aber die Abstimmung der sättigungsfähigen Drosselspule 7 erfolgt durch die über- lag;,rung von Flüssen in der Drosselspule anstelle der Überlagerung von Spannungen an der Drosselspule. In dieser Schaltung hat die Drosselspule 7 einen drei Schenkel aufweisenden sättigungsfähigen Kern; ein Schenkel trägt eine Wicklung 15, welche die induktiven Mittel R bildet, die die Drosselspule mit dem Verbrau cher 1 verbinden; ein anderer Schenkel trägt eine Wick lung W ,verbunden mit dem Netz parallel mit dem Ver braucher.
Die Anzahl der Windungen dieser Wicklungen wird so gewählt, dass der resultierende Fluss im dritten Schenkel des Kerns dem folgenden Wert proportional ist:
EMI0003.0008
Eine Ausgleichswicklung 17 in Dreieckschaltung ist vorgesehen, die alle drei Schenkel des Kerns miteinan der verbindet. Dies zum Zweck der Vermeidung von grossen magnetischen Kräften zwischen den Kernjo- chen, welche übermässige Verluste in der Drosselspule verursachen könnten.
Fig. 8 zeigt einen anderen Stromkreis ähnlich dem jenigen der Fig. 7, aber mit einigen Abänderungen. An stelle eines separaten Speisetransformators wird ein zu sammengesetzter Transformator 37 verwendet, der den Transformator 3 und die sättigungsfähige Drosselspule 7 bildet. Der Verbraucher 1 wird von einer Wicklung 18 gespeist, welche auf einem Schenkel der Drosselspule montiert ist und die Sekundärwicklung des Transforma tors bildet. Die Wicklung (W) 19 ist auf demselben Schenkel montiert und mit dem Versorgungsnetz ver bunden. Die Wicklung 19 ens,pricht der Wicklung W und sie bildet zur gleichen Zeit die Primärwicklung des Transformators in Fig. 7.
Auf dem zweiten Schenkel befindet sich die Wicklung 15, welche mit dem Verbrau cher 1 verbunden ist und die der Wicklung 15 in Fig. 7 entspricht. Die Ausgleichswicklung 17 ist in diesem Fall keine Wicklung in Dreieckschaltung, sondern eine einfa che Wicklung die alle drei Kernschenkel einschliesst.
Fig. 9 zeigt eine Dreiphaseneinrichtung, welche sonst identisch ist mit .der Einrichtung gemäss Fig. 7. Es wer den drei separate sättigungsfähige Kerne verwendet, für jede Phase ein Kern.
Alle Einrichtungen, wie anhand der Fig. 5-8, oben beschrieben können abgeändert werden, zur Verwen dung in einem Dreiphasensystem.
In Anwendung auf elektrische Lichtbogenöfen be steht die Möglichkeit, eine Spannung von höherer Fre quenz zu produzieren für die bequeme Zündung erlo schener Lichtbögen, indem die durch die sättigungsfä hige Drosselspule entwickelten Oberwellen ausgewertet werden. Mathematische Analyse der Stromkreise zeigt, dass eine flache Sättigungscharakteristik, welche zu einem hohen Abzapfungsverhältnis
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führt, eine maximale Verzerrung der Spannungswellen erzeugt und umgekehrt.
Mit einer flachen Sättigungscharakteristik können ,die erzeugten harmonischen Spannungen vorteilhaft verwendet werden für :die Erzeugung einer sehr grossen harmonischen Spannung bei offenem Stromkreis des Lichtbogenofens. Es besteht jedoch die Notwendigkeit die Spannung an den Stromschienen des Versorgungs netzes möglichst sinusförmig mittels harmonischen Fil tern, welche an den genannten Schienen montiert sind, zu halten.
Unter den genannten Bedingungen wird die Spannung am Abschnitt, durch welchen der Strom der Oberwelpen bei offenem Stromkreis des Lichtbogenofens fliesst, mit dem Verhältnis
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multipliziert, wobei n den ursprünglichen Wert hat.
Auf diesem Wege kann eine hohe Spannung von hoher Frequenz im offenen Stromkreis des Lichtbogen ofens ohne Verwendung von HF-Generatoren erzeugt werden.
Ein grosser Vorteil ,der erfindungsgemässen Einrich tung in Anwendung .auf elektrische Lichtbogenöfen liegt darin, dass der totale dem Netz entnommene Strom praktisch konstant ist sowohl bei vorhandenem Lichtbo gen und bei gelöschtem Lichtbogen.
Demzufolge besteht die Möglichkeit, den Leistungsfaktor bis auf geringe Schwankungen zu korrigieren mittels eines an das Ver sorgungsnetz oder an die sättigungsfähige Drosselspule angeschlossenen festen Kondensators und der genannte Kondensator kann wenn nötig, mit Filtern verbunden werden, um schädliche Oberwellen zu eliminieren.
Dieses Merkmal ist auch sehr vorteilhaft für Licht- bogenschweissanlagen, in welchen es schwierig ist eine individuelle HF-Korrektur :durchzuführen, infolge der hohen Schwankungen in der Belastung.
Fig. 10 zeigt eine Variante der Einrichtung gemäss Fig. B.
Die Fig. 10 zeigt einen Verbraucher 1, z. B. einen einphasigen Lichtbogenofen, der vom Netzwerk 2 über einen Transformator 37 gespeist wird. Der Kern dieses Transformators ist eine Mantelkonstruktion und besteht aus einem Hauptschenkel für -den Kraftfluss 20, einem Schenkel 21 für die Verschiebung des Kraftflusses und einem nicht gesättigten Glied 22, welches zwei Teile aufweist, die an beiden Seiten .der Schenkel 20 und 21 angeordnet sind. Das Glied 22 liefert einen Rückfluss weg für den nicht gesättigten Fluss.
Die Primärwicklung W 19 und die Sekundärwicklung 18 des Transformators umfassen den Hauptschenkel 20 und ,den Schenkel 21. Eine weitere zusätzliche Wicklung 15 umfasst nur den Schenkel 21 und diese Wicklung ist mit dem Verbrau cher 1 verbunden.
Es ist ersichtlich, dass diese Einrichtung sehr ähnlich derjenigen gemäss Fig.8 ist, aber eine verschiedene Transformatorkonstruktion aufweist mit einer anderen Anordnung der Wicklungen. Bei dieser Ausführungs- form besteht keine Notwendigkeit für eine Ausgleichs wicklung, weil sowohl im Kurzschluss als auch bei offen nem Stromkreis der Fluss in demselben Schenkel kon zentriert ist, während das Joch und das Glied für die Rückführung des Flusses ungesättigt bleiben.
Das wichtigste Merkmal .dieser Ausführungsform ist, dass der Fluss im Schenkel 21 entgegengesetzt dem Fluss im Schenkel 20 ist, so dass bei totalem Fluss durch die Schenkel 20 und 21, welcher ,durch die Spannung des Versorgungsnetzes bestimmt ist, die Anwendung einer Flussverschiebungsspannung :am Schenkel 21 die Sättigung des Schenkels 20 verursacht; wenn die vom Bogen abgeleitete Flussverschiebungsspannung gross ist.
In der Ausführungsform gemäss Fig. 11 ist die Bela stung 1 von einem Dreiphasennetz 2 über den Transfor- mator-37 gespeist. Der Transformator37 weist dreiPaare der Schenkel 20 und 21 auf, wobei jedes Paar einer Phase entspricht.
Wie in der Ausführungsform gemäss Fig. 10 umfasst jede Phase der Primärwicklung 19 beide Sehenkel, während die zusätzlichen Wicklungen 15 nur den Schenkel 21 umfassen und mit dem Verbraucher 1 verbunden sind.
Diese Einrichtung ist dreiphasig und entspricht der jenigen gemäss Fig. 10, mit- dem Unterschied, dass der nicht gesättigte Rückweg für den von jeder Phase gelie ferten Fluss durch die mit den anderen zwei Phasen zu sammenwirkenden Schenkel gebildet ist.
Bei Kurzschluss ist der Fluss in den Schenkeln 21 null und demzufolge arbeitet der Transformator als kon ventionelles Dreiphasentransformator. Bei offenem Stromkreis bewirken jedoch die Wicklungen 15 eine Umkehr des Flusses in den Schenkeln 21, und da der totale Fluss gleich dem durch die Primärwicklung verur sachten Fluss bleiben muss, werden die den Hauptfluss führenden Schenkel gesättigt.
Obwohl die erfindungsgemäss.e Einrichtung in An wendung auf Lichtbogenöfen beschrieben wurde, ist es ersichtlich, dass .sie ebensogut auf Schweissanlagen an wendbar ist, für die die Ausführungsform gemäss Fig. 11 besonders geeignet ist.