DE1015156B

DE1015156B - Anordnung zum Ausgleichen der Stroeme in den Zuleitungen zu den Elektroden in Elektrooefen fuer Wechselstrom

Info

Publication number: DE1015156B
Application number: DEC10896A
Authority: DE
Inventors: Jan Ploeen
Original assignee: Christiania Spigerverk AS
Current assignee: Christiania Spigerverk AS
Priority date: 1954-03-12
Filing date: 1955-03-10
Publication date: 1957-09-05

Description

DEUTSCHES

Bei Elektroofen für Wechselstrom wird den Elektroden der Strom jeder Phase vom Transformator gewöhnlich durch mehrere parallele Leiter zugeführt. Weil die Elektroden hochgezogen und gesenkt werden müssen, wird die Zuleitung als ein bewegliches System von Leitern ausgeführt, das aus einem von den Transformatorklemmen ausgehenden Schienenabschnitt und aus einem Abschnitt von biegsamen Kabeln besteht, wodurch die erforderliche Beweglichkeit erzielt wird. Die Kabel werden ferner mit Schienen am Ofen verbunden, und diese sind wiederum an die Elektrodenfassungen angeschlossen. An Stelle von Schienen werden auch wassergekühlte Rohre benutzt. Da es sich um erhebliche Stromstärken handelt, kann die Anzahl der parallelen Einzelleiter ziemlich groß werden (z. B. zehn oder mehr).

Durch den Strom entstehen kräftige Streufelder in der Umgebung der Leiter, wodurch der Strom in bestimmten Einzelleitern abnimmt und in anderen zunimmt. Auch zwischen den verschiedenen Phasen kommt dies zur Geltung, da der Abstand zwischen den Phasen im Vergleich zum Gesamtquerschnitt der Leiter einer Phase verhältnismäßig klein ist. Der stabilisierende Ohmsche Widerstand in einem solchen Leitersystem ist gering, so daß die Ströme in den einzelnen Leitern sehr verschieden sein können. Die ungleichmäßige Stromverteilung, die auf diese Weise entsteht, ergibt eine schlechte Ausnutzung des Gesamtquerschnittes der Leiter, wobei hohe Temperaturen an den stark belasteten Einzelleitern und bedeutend größere Verluste bei der Übertragung auftreten, als wenn die Stromverteilung gleichmäßig wäre.

Die schlechte Ausnutzung verursacht große Kosten bei dem Betrieb und auch eine kostspieligere Aufhängungsanordnung.

Es kann auch erwähnt werden, daß die Konzentration der Streufelder, die bei ungleicher Stromverteilung entsteht, die magnetischen Kräfte für einzelne der Leiter steigert und zu beträchtlichen Bewegungen des Leiterbündels führen kann. Eine solche Bewegung des Leiterbündels kann einen Kurzschluß zwischen den Phasen hervorrufen und die Beanspruchung der Kabel, Distanzstücke und etwaiger Schirme erhöhen.

Eine ungleichmäßige Stromverteilung erhöht auch den Blindwiderstand des Systems und damit die Rückwirkung.

Diese Schwierigkeiten hat man alle durch eine Verdrillung der Kabel zu überwinden versucht, stößt aber dabei auf neue Schwierigkeiten, erstens weil die Biegsamkeit des Kabelbündels beibehalten werden muß und zweitens weil der für die Leiter zur Verfügung stehende Platz im allgemeinen beschränkt ist.

Anordnungen zur gleichmäßigen bzw. verhältnisgleichen Stromverteilung auf mehrere zueinander parallel geschaltete Wechselstromzweige sind an sich bekannt. Derartige Anordnungen werden bei Gleichrichtern mit mehreren parallel geschalteten Anoden verwandt. Sie be-Anordnung zum Ausgleichen der Ströme in den Zuleitungen zu den Elektroden

in Elektroofen für Wechselstrom

Anmelder:
Christiania Spigerverk, Oslo

Vertreter:

Dr. G. W. Lotterhos und Dr.-Ing. H. W. Lotterhos,
Patentanwälte, Frankfurt/M., Lichtensteinstr. 3

Beanspruchte Priorität:
Norwegen vom 12. März, 11. September und 12. Oktober 1954

Jan Plöen,, Oslo,
ist als Erfinder genannt worden

stehen aus Stromtransformatoren, von denen jeweils eine primäre Hauptwicklung von dem Strom einer der parallel geschalteten Wechselstromzweige durchflossen wird, während die Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren, hintereinandergeschaltet, einen eigenen, in sich geschlossenen Stromkreis bilden. Bei derartigen Anordnungen handelt es sich im Gegensatz zu dem vorliegenden Problem darum, die beim Betrieb von Gleichrichtern auftretenden Abweichungen von Zünd- und Brennspannungen der einzelnen parallel geschalteten Anoden sowie die zum Teil sehr hohen Spannungen und Spannungsspitzen unschädlich zu machen. Demgegenüber sind die Verhältnisse beim Betrieb von Lichtbogenöfen völlig anders gelagert. Dies ist, wie im vorstehenden dargelegt, z. B. dadurch bedingt, daß es sich hier in erster Linie darum handelt, in den Einzelleitern bzw. Leitergruppen, die von der gleichen Klemme des Transformators zu ein und derselben Elektrode geführt sind, eine möglichst gleiche Strombelastung und damit eine bestmögliche Ausnutzung aller Einzelleiter zu erzwingen.

Die vorliegende Erfindung richtet sich nun auf eine Anordnung für Elektroofen. Dabei handelt es sich darum, in den parallelen, zu den Elektroden führenden Einzelleitern in Elektroofen für Wechselstrom eine gleichmäßige Stromverteilung zu erzwingen.

Erfindungsgemäß ist dies dadurch erreicht, daß die Einzelleiter paarweise, unter Vermeidung nicht von Strom der Zuleitungen direkt durchflossenen Sekundär-

709'6ΪΟ/3+7

wicklungen derart magnetisch gekoppelt sind, daß alle führt direkt zur Elektrode E, während die Leiter 2 und 3 Einzelleiter bzw. Leitergruppen eines jeden Paares in zu- in entgegengesetzten Richtungen durch den Kern 7 geeinander gegenläufigen Richtungen durch einen Eisenkern, führt sind. Der Leiter 3 ist ferner gemeinsam mit dem eine magnetische Kette bildend, hindurchgeführt sind, Leiter 4 jedoch in entgegengesetzter Richtung durch den wobei bei η Leitern mindestens (n—2) Leiter bzw. Leiter- 5 Kern 8 geführt. Der Leiter 4 ist schließlich gemeinsam gruppen mit zwei der übrigen Leiter bzw. Leitergruppen mit dem Leiter 5 jedoch in entgegengesetzter Richtung magnetisch gekoppelt sind. Dies kann z. B. dadurch er- durch den Kern 9 geführt. Der Leiter 5 ist von hier direkt reicht werden, daß die Einzelleiter paarweise in entgegen- mit der Elektrode E verbunden. Die Leiter 1,2, 3,4 und 5 gesetzter Richtung durch einen lamellierten Kern geführt sind hierbei magnetisch miteinander verkettet. Der Kern 6 sind. Mit Ausnahme der beiden Einzelleiter, die den An- i° bewirkt, daß die Ströme in den beiden Leitern 1 und 2 fang bzw. das Ende der magnetischen Kette bilden, ist gleich groß sind, sofern dies nicht bereits der Fall ist. Der jeder Einzelleiter mit zwei von den übrigen Einzelleitern Kern 7 bewirkt in ähnlicher Weise, daß die Ströme in den magnetisch, verkettet oder verkoppelt, indem jeder Leiter Leitern 2 und 3 gleich groß sind usw. Der Kern 6 muß so zuerst durch einen lamellierten Eisenkern und dann durch bemessen sein, daß er die induzierte Spannung in der einen zweiten derartigen Kern geführt ist. Die magnetische J-5 Stromschleife, die von den Leitern 1 und 2 gebildet wird, Verkopplung läßt sich auch als ein geschlossener Kreis aufnehmen kann. In entsprechender Weise sind die übriausführen, indem die Einzelleiter, die den Anfang bzw. gen Kerne und Leiter angeordnet. Der Unterschied zwidas Ende der magnetischen Kette bilden, in gleicher Weise sehen den Strömen in zwei Leitern entspricht dem für den magnetisch verkoppelt werden. Kern erforderlichen Magnetisierungsstrom, der sehr klein

Die verschiedenen Eisenkerne können vorteilhafterweise 20 gehalten werden kann.

zu einer Einheit zusammengebaut werden. : Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen

In der Regel befinden sich in einem Zuleitungsbündel Eisenkern, der für sieben Zuleitungen 11 bis 17 bestimmt

Kabel, die ohne Eingriffe von außen her gleiche Strom- ist. Dadurch, daß die verschiedenen Kerne zu einer Ein-

stärken führen. Derartige Kabel können alle in einer heit zusammengebaut sind, läßt sich die Vereinigung der

Gruppe gesammelt und als ein einziger Leiter behandelt 25 entstehenden Magnetfelder ausnutzen, wodurch die Ab-

werden. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf eine messungen des Eisenkernes vermindert werden können.

Ausführung, bei welcher derartige Gruppen von Leitern Wie bereits erwähnt, ist es üblich, daß die Stromzufuhr

in der oben angegebenen Weise paarweise magnetisch ver- zu einer Elektrode über einen Abschnitt mit Schienen

koppelt sind. (oder Rohren) erfolgt, die die Transformatorklemmen mit

Es sei erwähnt, daß bisher bei Speisekabeln für Stahl- 3° der ersten Kabelaufhängung verbinden. Der Strom fließt

öfen gewöhnlich mit durchschnittlichen Stromdichten .. ferner durch einen Abschnitt biegsamer Kabel, die dann

von 1,3 bis 1,4 Amp./mm² gearbeitet wurde, während bei wieder mit Schienen (oder Rohren) am Ofen verbunden

einer vollständig gleichmäßigen Stromverteilung, wie sie sind. Die Anzahl parallel geschalteter Schienen (oder

gemäß der Erfindung erzielt wird, ohne Schwierigkeit mit Rohre) und parallel geschalteter Kabel braucht für die

einer Stromdichte von 2,2 bis 2,5 Amp./mm² gearbeitet 35 verschiedenen Abschnitte nicht dieselbe zu sein und ist es

werden kann. Dies bedeutet eine Verringerung des Kabel- gewöhnlich auch nicht.

querschnitts auf etwa 60 %· Beim Übergang von einem Abschnitt mit Schienen oder

Bei Verwendung einer Anordnung für gleichmäßige Kabeln zu einem anderen sind daher sämtliche parallele

Stromverteilung gemäß der Erfindung bestehen ferner Einzelleiter elektrisch verbunden. Dies bewirkt, daß die

ganz andere Möglichkeiten, einen Querschnitt zu wählen, 40 Stromverteilung in den Leitern eines Abschnittes von der

der in bezug auf Wirtschaftlichkeit die günstigsten Ver- Stromverteilung in den übrigen Abschnitten unabhängig

Mitnisse bietet. ist.

, Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeich- Um gemäß der Erfindung in sämtlichen Abschnitten

nungen näher beschrieben. eine gleichmäßige Stromverteilung zu erzielen, wird die

. Fig. 1 zeigt ein Schaltbild für eine Ausführungsform 45 Verbindung von parallelen Einzelleitern beim Übergange

gemäß der Erfindung; von einem Abschnitt zu einem anderen ausgelassen, und

Fig. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen jeder Einzelleiter in dem einen Abschnitt wird mit bloß

Eisenkern, der bei einer der in Fig. 1 ähnlichen Anord- einem Einzelleiter oder einer Gruppe von Einzelleitern des

nung benutzt werden kann; anderen Abschnitts verbunden. Die Anzahl der Einzel·

Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung von vier Einzel- 50 leiter oder der Gruppen von Einzelleitern in dem einen

.leitern, bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung; Abschnitt muß dann ein Vielfaches der Anzahl der Einzel-

Fig. 4 zeigt in entsprechender Weise eine weitere Aus- leiter oder der Gruppen von Einzelleitern in den übrigen

.führungsform mit vier Einzelleitern; Abschnitten sein. Man kann ferner dadurch, daß man die

Fig. 5 zeigt schematisch einen Kern bei einer weiteren Einzelleiter oder Gruppen von Einzelleitern mit großer

Ausführungsform der Erfindung; 55 Impedanz in einem Abschnitt mit Einzelleitern oder

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung ähnlich der- Gruppen von Einzelleitern mit kleiner Impedanz in einem

jenigen in Fig. 5, jedoch mit einer anderen Leiterführung anderen Abschnitt verbindet, erzielen, daß der Unter-

im Kern; schied in der Gesamtimpedanz der verschiedenen hinter-

Fig. 7 stellt einen Querschnitt durch das Kabelbündel einandergeschalteten Leitergruppen möglichst klein und

•dar, welcher die Lage der Kabel im Bündel zeigt; 60 der Ausgleichstransformator kleiner wird.

Fig. 8 zeigt einen Ausgleichstransformator für drei Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform des

Phasen gemäß der Erfindung, während Erfindungsgegenstandes mit vier Zuleitungen mit je einem

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform für einen derarti- Kabel 21 bis 24 und einer Schiene 25 bis 28. Die Anord-

gen Ausgleichstransformator zeigt. nung enthält einen Ausgleichstransformator 29 und einen

In Fig. 1 sind die Einzelleiter 1, 2, 3, 4 und 5 für die 65 Elektrodenhalter 30.

Stromzufuhr von einer Phase T des Transformators zur Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform mit ebenfalls

entsprechenden Elektrode E dargestellt. vier Zuleitungen mit je einem Kabel 31 bis 34 und einer

Die Anordnung enthält lamellierte Eisenkerne 6, 7, 8 Schiene 35 bis 38, wobei die Kabel und die Schienen hier

und 9. Die Einzelleiter 1 und 2 sind in entgegengesetzten so verbunden sind, daß ein Kabel, z. B. 33, mit großer

Richtungen durch den Eisenkern 6 geführt. Der Leiter 1 70 Impedanz an eine Schiene 38 mit kleiner Impedanz ange-

schlossen ist. Entsprechendes gilt für die übrigen Zuleitungen.

Bei größeren Öfen ist es üblich, daß die Schienen und Kabel einer Phase in zwei oder mehreren nebeneinanderliegenden, angenähert vertikalen Ebenen angeordnet sind. Bei großen Stromstärken, bei denen große Querschnitte verlangt werden, kann dies oft aus Platzrücksichten notwendig sein. Dies ist auch günstig, um für die einzelnen Leiter möglichst gleiche Impedanzen zu erzielen.

Der Kern des Ausgleichstransfoimators kann in einem solchen Falle vorteilhaft mit einer der Anzahl von Ebenen entsprechenden Anzahl von nebeneinanderliegenden Fensterreihen ausgeführt werden, und die magnetische Verkopplung von Reihe zur Reihe wird dadurch erzielt, daß einer oder mehrere Einzelleiter aus einer Reihe auch durch Fenster in einer anderen Reihe geführt werden. Vorzugsweise sind die Einzelleiter aus einer Ebene mit Einzelleitern aus einer anderen Ebene so zusammengepaßt, daß die Induktion im Transformatorkern einen möglichst günstigen Wert erhält.

Fig. S zeigt schematisch einen Kern mit Leitungsführungen gemäß einer Ausführungsform, während Fig. 6 in entsprechender Weise einen Kern mit Leitungsführung gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.

Fig. 7 stellt einen Querschnitt durch das Kabelbündel dar, der die Lage der Kabel in Bündel zeigt. Die Numerierung der Kabel in Fig. 7 entspricht derjenigen in Fig. 5 bzw. 6. Nach beiden Ausführungsformen sind zwölf Kabel 41 bis 52 mit den Strömen I₄₁ bis I₅₂ in zwei nebeneinanderliegenden Reihen (Ebenen) angeordnet.

Es sei vorausgesetzt, daß die Impedanzen so sind, daß

Al > I

42 -"^ -M3»

-^46 -^ 45 ^* 44 ^

/47 > /48 > ^49>
hl > hl-

35

und

Dies wird normalerweise der Fall sein, sofern der Ausgleich nur dem Kabelabschnitt gilt und Kabel 46 bzw. 52 zuoberst hängen. Der Unterschied zwischen den Strömen ist klein und entspricht den Magnetisierungsströmen.

Wie die Fig. 5 und 6 zeigen, ist die Feldverteilung in Abb. 5, in der zwei Leiter 46, 52 diagonal geführt sind, am günstigsten, da das Feld in der Mitte des Kernes gleich Null ist. Der mittlere Teil des Kernes kann daher eventuell fortgelassen werden. Dies ist jedoch im allgemeinen nicht günstig, da in diesem Teile des Kernes durch Induktion von den übrigen Phasen Felder entstehen.

Außerdem können auch wegen der Unsymmetrie der Aufhängung Felder entstehen.

Elektroofen werden gewöhnlich als Drehstromöfen ausgeführt. Es ist bekannt, daß ζ. B. bei Drehstromtransformatoren, die aus einem Netz mit symmetrischer Dreiphasenspannung gespeist werden, die vektorielle Summe der Felder für die drei Phasen gleich Null ist. Dies bedeutet, daß, wenn ein dreiphasiger Transformatorkern mit drei Schenkeln ausgeführt wird und diese an jedem Ende mit einem Joch verbunden sind, das Feld des Schenkels der einen Phase durch die Schenkel der beiden anderen Phasen zurückkehren würde. Diese Eigenschaft des Drehstromsystems kann bei der vorliegenden Erfindung dadurch ausgenutzt werden, daß für sämtliche Phasen ein gemeinsamer Transformatorkern mit einer der Phasenanzahl entsprechenden Anzahl von Schenkeln benutzt wird.

Fig. 8 zeigt einen Ausgleichstransformator mit drei Schenkeln 62, 63 und 64 für drei Phasen A, B und C mit zwei Wicklungen je Phase. Vorausgesetzt, daß die Kabelanordnung symmetrisch ist und die Phasenströme gleich groß sind, dann ist das Feld im Schenkel der Phase A der Summe der Felder in den Schenkeln der Phasen B und C in jedem Augenblick gleich.

Im Vergleich zu den drei Emphasentransformatoren wird also eine drei Schenkeln entsprechende Menge Eisen erspart.

Nun ist aber die Kabelanordnung selten symmetrisch, und die Belastung der drei Phasen kann ebenfalls unsymmetrisch sein. In diesem Falle wird das Feld im Schenkel der Summe der Felder in den Schenkeln 63, 64 nicht genau gleich sein. Um diesen Unterschied aufzunehmen, kann ein zusätzlicher Schenkel angeordnet werden, und zwar gegebenenfalls einer auf jeder Seite, wie in Fig. 9 gezeigt.

Fig. 9 zeigt einen Ausgleichstransformator, der mit drei Schenkeln 66, 67 und 68 für die drei Phasen A, B und C versehen ist und der ferner mit zwei zusätzlichen Schenkeln 69 und 70 zum Aufnehmen des Feldunterschiedes infolge unsymmetrischer Belastung ausgerüstet ist. Da die Schenkel 69 und 70 nur für verhältnismäßig schwache Felder bemessen zu werden brauchen, wird bei der Herstellung des Transformators immer noch Material erspart.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzielung einer gleichmäßigen Stromverteilung in parallelen Zuleitungen für eine bzw. mehrere Elektroden in Wechselstrom-Elektroofen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter paarweise bzw. Leitergruppen paarweise unter Vermeidung von nicht von Strom der Zuleitungen direkt durchflossenen Sekundärwicklungen derart magnetisch gekoppelt sind, daß alle Einzelleiter bzw. Leitergruppen eines jeden Paares in zueinander gegenläufigen Richtungen durch einen Eisenkern eine magnetische Kette bildend, hindurchgeführt sind, wobei bei η Leitern mindestens (n — 2) Leiter bzw. Leitergruppen mit zwei der übrigen Leiter bzw. Leitergruppen magnetisch gekoppelt sind.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen für sämtliche Einzelleiter einer Phase gemeinsamen Eisenkern, der für jedes Paar der Leiter bzw. der Leitergruppen mit einer durchgehenden Öffnung versehen ist.

3. Anordnung gemäß Ansprüchen 1 und 2, in welcher die Zuleiter für jede einzelne Phase aus mehreren in Reihe geschalteten Abschnitten bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Leiter bzw. eine Leitergruppe eines Abschnittes an einen einzelnen Leiter bzw. eine Leitergruppe eines anderen Abschnittes angeschlossen ist, ohne daß die in Reihe geschalteten Leiter bzw. Leitergruppen beim Übergange von einem Abschnitt zum anderen elektrisch verbunden sind.

4. Anordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten Einzelleiter bzw. Leitergruppen der verschiedenen Abschnitte in solcher Weise verbunden sind, daß die Gesamtimpedanz der in Reihe geschalteten Leiter bzw. Leitergruppen zweier bzw. mehrerer Abschnitte für jeden einzelnen Stromzweig möglichst die gleiche ist.

5. Anordnung gemäß Ansprüchen 1 bis 4, bei welcher die Zuleitungen für jede einzelne Phase aus Einzelleitern bestehen, die in zwei bzw. mehreren angenähert senkrechten, parallelen Ebenen angeordnet sind und einen für sämtliche Leiter einer oder mehrerer Phasen gemeinsamen Eisenkern durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mit so vielen nebeneinander angebrachten Reihen durchgehender Öffnungen versehen ist, wie es Leiterebenen gibt, und in welchem die magnetische Verkopplung in der Weise

durchgeführt ist, daß ein oder mehrere Leiter einer Reihe auch durch Öffnungen einer anderen Reihe geführt sind.

6. Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter in den verschiedenen Öffnungen in einer solchen Weise angeordnet sind, daß der Kern am günstigsten ausgenutzt wird.

7. Anordnung gemäß Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere Phasen ein gemein-

samer Transformatorkern vorgesehen ist, in dem die Felder einer Phase sich mit den Feldern der übrigen Phasen in einer solchen Weise zusammensetzen, daß die Materialmenge dieses Kernes kleiner ist als die Summe der für die einzelnen Phasen notwendigen Materialmenge der Einzelkerne.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 902 406.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen