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Regeleinrichtung für die Elektrodenregelung von Lichtbogenöfen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtllng für die Elektrodenregelung von
LichUbogenöfen, bei der jeder Elektrode ein Regler zugeordnet ist, dem als Meßgrößen
für die Regelung dem Elektrodenstrorn und der Elek-trodenspannung proportionale
Größen zugeführt sind rmd der in Abhängigkeit von der aus diesen Größen abgeleiteten
Regelabweichung die zugehörige Elektrodenverstelleinrich-tung steuert.
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An eine Regeleinrichtung für die Elektrodenregelung von Lichtbogenöfen
werden hohe Anforderungen gestellt. Die Elektroden müssen wtShrend des Betriebes
in einem bestimmten Abstand vom Schmelzmaterial, d.h. vom Schrott oder von der Schmelze,
gehalten werden, um die richtige Lichtbogenleistung zu bekommen.
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Dieser Abstand und damit die Länge des Lichtbogens sind sowohl durch
Spannung und Stromstärke des Lichtbogens als auch durch die Atmosphäre und die Ionisation
im Ofeninneren bedingt.
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Durch Abschmelzen, Flüssigwerden und Zusammenbrechen des ochmelzmaterials
ändern sich der Abstand laufend und damit auch die Stromstärke und der Widerstand
des Lichtbogens. Um eine möglichst gleichmäßige Leistungsaufnahme zu erzielen,
müssen
die Elektroden, sobald sich die Länge des Lichtbogens und seine elektrischen werte
geändert haben, in kürzester LOt wieder auf den richtigen Abstand gebracht werden.
Hierzu dient die Elektrodenregelung.
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Bekannt sind die als Impedanzregelungen bezeichneten Ausführungen
von Elektrodenregelungen. Meßgrößen für die Regelung sid hierbei clr r Elektrodenstrom
und d Elektrodenspannung, d.h. die spannung cle) Hochstrombahn zwischen Badsternpunkt
und Stromschienen in der Whe des Transformators. Die aus Strom und Spannung gebildete
Regelabweichung entspricht dem Scheinwiderstand - daher die iezeichnung Impedanzregelung.
Die Meßwerte von Elektrodenstrorn und Elektrodenspannung werden gleichgerichtet
und dem Regler z;lgeführt. Als Regler werden bisher beispielsweise Tauchspulenregler
oder Ferraris-Regler mit hydraulischen Stellgliedern oder Magnetverstärker mit elektromotorischen
Stellgliedern singesetzt (AEG-Mitteilungen 46 (1956), 5. 314-319; desgl. 49 (1959),
S. 552-561; BBC-Nachrichten 1964, S. 60-61). Diese Regler sind zwar relativ einfach
aufgebaut, haben aber durch das z.T. relativ hohe Leistungsniveau im Vergleichskreis
oder durch eine elektromechanische Reglerausführung u.a. Nachteile im hinblick auf
eine leichte Einstellung der Reglerparameter und der Begrenzung der Elektrodengeschwindigkeit.
Eine Selbstanpassung der Reglerparameter an die Regelstrecke sowie eine Strombegrenzung
zur Vermeidung des Auslösens des Ofenleistungsschalters sind bei den bekannten Reglern
nicht vorgesehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, unter Benutzung des Prinzips de@ Impedanzregelung
eine Regeleinrichtung anzugeben, die sich den
Verhalten der Regelstrecke
selbsttätig anpaßt und deren Einsa+z ein gutes statisches und dynamisches Regelverhalten
sowohl beim norrnalen als auch beim beispielsweise durch Schrottzusammenbruch gestörten
Betrieb des Lichtbogenofens ergibt.
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diese Aufgabe wird bei einer Regeleinrichtung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dem Elektrodenstrom und der Elektrodenspannung
proportionalen Größen dem Eingang des Reglers direkt oder über Operationsglieder
zu-£cCührt sind, daß die Verstärkung des Reglers in Abhängigkeit on einer der Sekundärspannung
des Ofentransformatois proportionalen Größe veränderbar ist; und daß Mittel zur
Begrenzung des Elektrodenstromes sur einen einstellbaren Wert vorgesehen sind.
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Beim Anfahren des Ofens kann der Fall eintreten, daß eine vorteilende
Elektrode sich in den Schrcti cinhohrt, ohne daß ein Elektrodenstrom fließt, weil
die anderen Elelrtroden den Schrott roch nicht berhren. TTm diesen Fall, der zum
Abbrechen der Elektrode führen kann, zu verhindern, muß der Regler bei dem Signal
Null für beide Eingansgrößen am Ausgang ebenfalls das nal Null abgeben. In vorteilhafter
Ausgestaltung der Frfindung ist deshalb der Regler als P-Regler beschaltet.
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Die Verstärkung im Regelkreis ist abhängig von der Sekundärspannung
des Ofentransformators, die über einen Stufenschalter einstellbar ist. Um unabhängig
von der Sekundärspannung die gleiche gute Regeldynamik zu erhalten, muß der Regler
als selbstanpassender Regler ausgeführt werden. Hierfür ist eine Nachführung der
Verstärkung des Reglers umgekehrt proportional zur Verstärkungsänderung der Regelstrecke
erforderlich. TJm dies zu erreichen, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Frfindung
vorgesehen,
daß die änderung der Verstärkung des Reglers über einen im Rückführzweig des Reglers
angeordneten Multiplikator erfolgt, dessen erste Eingangsgröße proportional der
Ausgangs spannung des Reglers und dessen zweite Eingangsgröße proportional der Sekundärspannung
des Ofentransformators ist. Hierbei kann für die Lieferung der zweiten Eingangsgröße
des Multiplikators ein für alle Regler gemeinsames Meßglied vorgesehen sein.
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Als einfachstes Mittel zur Begrenzung des Elektrodenstromes auf einen
einstellbaren Maximalwert kann eine Begrenzung seiner Führungsgröße dienen, das
ist die der Elektrodenspannung proportionale Eingangsgröße des Reglers.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß jedem Regler zur Begrenzung des Elektrodenstromes ein Stromregler zugeordnet
ist, der die stromproportionale Regelgröße mit einem Grenzwert vergleicht und bei
dessen Überschreitung ein Signal auf den Regler derart gibt, daß die Elektrode in
Richtung "Heben" verstellt wird. Hierbei ist es vorteilhaft, das Signal gleichzeitig
auch auf die Regler aller anderen Elektroden zu geben, damit, z.B. bei einem Schrottzusammenbruch,
der Kurzschluß durch Heben aller Elektroden schneller beseitigt wird.
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Eine hinsichtlich des Aufwandes besonders vorteilhafte Weiterbildung
der Erfindung besteht darin, daß zur Begrenzung des Elektrodenstromes ein für alle
Elektroden gemeinsamer Stromregler vorgesehen ist, der entweder die Summe oder den
Größtwert
der Elektrodenströme mit einem Grenzwert vergleicht und
bei dessen Überschreitung ein Signal auf die Regler aller Elektroden derart gibt,
daß alle Elektroden in Richtung ''Heben" verstellt werden.
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Um kurze Einschmelzzeiten mit voller Ausnutzung des möglichen Maximalstromes
zu erreichen, ist es häufig zweckmäßig, eine von der normalen Impedanzregelung abweichende
Kennlinie zu fahren und, beispielsweise in den oberen Spannungsstufen des Ofentransformators,
den Strom konstant zu halten. Da aus regelungsdynamischen Gründen die Impedanzregelung
erhalten bleiben muß, wird in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung die änderung
der Zuordnung von StrOm und Spannung über einen Multiplikator als Operations glied
im entsprechenden Reglereingang vorgenommen. Da die Kennlinie eine Funktion der
Sekundärspannung des Ofentransformators sein soll, wird die zweite Eingangsgröße
des Multiplikators gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung von einem Funktionsgeber
geliefert, dessen Eingangsgröße proportional der Sekundärspannung des Ofentransformators
ist.
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Die Steuerung der Lichtbogenöfen über Prozeßrechner gewinnt zunehmend
an Bedeutung. Um auf einfache Art und Weise eine Eingriffsmöglichkeit für den Prozeßrechner
zu erhalten, können anstelle der Multiplikatoren D/A-Umsetzer Verwendung finden.
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Die D/A-Umsetzer können dann von dem Rechner oder einem System der
digitalen Signalverarbeitung in Abhängigkeit von der Sekundärspannung des Ofentransformators
gesteuert werden.
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Die Ausg.angsgröRe der Regeleinrichtung kann als Fiibrungsgröße für
einen elektromotorischer Verstellantrieb - z.B. ein drehzahlgeregelter Gleicljstromantrieb,
ein Drehstrorantrieb mit Dreipunktregler - oder einen hydraulischen oder pneumatischen
Stellantrieb dienen. Durch Begrenzung der Ausgangsgröße auf einen einstellbaren
Wert kann bei stetigen Stellantrieben die maximale Geschwindigkeit für Heben und
Senken der Elektroden eingestellt werden.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand von AusführunCsbeispielen
näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der
Regeleinrichtung nach der Erfindung in ihrer einfachsten Ausführung, Fig. 2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.
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In Fig. 1 ist ein Lichtbogenofen 1 mit seinen Elektroden 2, 3, 4 über
einen Ofentransformator 5 und einen Ofenleistungsschalter 6 an ein Drehstromnetz
R,S,T angeschlossen. Über ein Meßglied 7, das aus einem Stromwandler mit einem nachgeschalteten
Gleichrichter und einer Bürde bestehen kann, wird der Strom der Elektrode 4 erfaßt
und in eine Gleichspannung umgewandelt. Über ein Einstellpotentiometer 8 und einen
Bewertungswiderstand 9 wird diese Größe als Regelgröße des Elektrodenstromes einem
Regelverstärker 10 zugeführt. Über ein zwei tes Meßglied 11, das aus einem Transformator
mit einem nachgeschalteten Gleichrichter bestehen kann, wird die Spannung der Elektrode
4 erfaßt und in eine Gleichspannung umwandelt. Über
ein Einstellpotentiometer
12 und zwei Bewertungswiderstände 13 und 1,4 wird diese Größe als Führungsgröße
für den Elektrodenstrom dem Regelverstärker 10 zugeführt. Im Rückführkreis des Regelverstärkers
10 befinden sich ein Potentiometer 15, ein Multiplikator 16 und ein Rückführwiderstand
17. Über das Potentiometer 15 läßt sich in bekannter Weise die Verstärkung des Reglers
einstellen. Zur weiteren Beeinflussung der Verstärkung dient der Multiplikator 16.
Da seine Ausgangsgröße U proportional dem Produkt der Eingangsgrößen UE1 und UE2
ist, kann durch Verändern der Eingangsgröße UE2 die Verstärkung des Reglers ebenfalls
eingestellt werden. Eine Verminderung der Spannung UE2 bedeutet eine Verminderung
der Rückführung und damit eine Erhöhung der Verstärkung. Die Spannung UE2 wird von
einem Meßglied 18 geliefert, das zur Erfassung der Sekundärspannung des Ofentransformators
dient und aus einem Drehstromtransformator mit einem nachgeschalteten Gleichrichter
in Drehstrom-Brückenschaltung bestehen kann. Zur Einstellung dieser Einflußgröße
des Reglers dient ein Potentiometer 19. Sinkt beispielsweise die Sekundärspannung
des Ofentransformators ab, so wird die Verstärkung der Regelstrecke der Elektrodenregelung
geringer. Durch den Einfluß des Meßgliedes 18, des Einstellpotentiometers 19 und
des Multiplikators 16 wird proportional hierzu die Rückführung des Reglers vermindert
und damit die Verstärkung des Reglers erhöht. Das bedeutet, daß bei Schwankungen
der Spannung des Ofentransformators die Regelkreisverstärkung annähernd konstant
bleibt und damit die Regeldynamik der Elektrodenregelung wesentlich verbessert wird.
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In zweckmäßiger Weise kann man für die Lieferung der zweiten Eingangsgröße
UE2 des Multiplikators 16 für die Regler aller Elektroden ein gemeinsames DIeßglied
18 vorsehen. In diesem Fall wird die über das Potentiometer 19 eingestellte Spannung
UE2 über die gestrichelt angedeuteten Lteitungen 22 und 23 gleichzeitig auch den
entsprechenden Multiplikatoreingängen der beiden anderen Regeleinrichtungen für
die Elektroden 2 und 3 zugeführt.
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Zur Begrenzung des Maximalstromes der Elektrode 4 dient eine Zenerdiode
20. Bei Erreichen der Zenerspannung der Diode 20 kann das am Bewertungswiderstand
14 anstehende Abbild der Führungagröße für den Elektrodenstrom nicht weiter ansteigen.
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Übersteigt die Regelgröße des Elektrodenstromes den entsprechenden
Wert, so wird vom Ausgang des Reglers eine Stellgröße in Richtung "TIeben" angegeben
und damit eine Verminderung des Elektrodenstromes eingeleitet.
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Die Ausgangsgröße-des Reglers beeinflußt über ein Stellglied 21 die
Stellung der Elektroden. Als Stellglieder sind hydraulische, pneumatische oder elektromechanische
Geräte einsetzbar. Der Regler wird vorzugsweise als P-Regler ausgeführt. Es ist
aber auch eine Ausführung als PI-Regler, PD-Regler, PID-Regler, Regler mit PU1-Verhalten
möglich.
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In Fig. 2 ist ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Schaltung sind einige zusätzliche
Bauglieder eingefügt, Die der Elektrodenspannung proportionale Größe UIP3 wird abweichend
von
Fig. 1 nicht mehr direkt, sondern über einen Multiplikator 24 auf den Eingang des
Reglers gegeben. Da sich die Führungsgröße UF aus der Multiplikation der Größen
UE3 und UE4 ergibt, ist es möglich, durch die Größe UE4 eine Änderung in der Bewertung
der Elektrodenspannung als Führungsgröße für den Elektrodenstrom vorzunehmen. Die
Eingangs größe UE4 wird von einem Funktionsgeber 25 geliefert, der seine Eingangsgröße
über ein Einstellpotentiometer 26 vom Meßglied 18 für die Sekundärspannung des Ofentransformators
erhält. Es ist damit möglich, einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Lichtbogenspannung
und Elektrodenstrom herzustellen, ohne daß das für die Stabilität der Regelung erforderliche
Verhalten als Imped&nzregelung verlorengeht.
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Die über das Potentiometer 26 eingestellte Eingangsgröße für den Funktionsgeber
25 kann über die gestrichelt angedeuteten Leitungen 27 und 28 gleichzeitig auch
den entsprechenden Bunktionsgebereiflgängen der beiden anderen Regeleinrichtungen
für die Elektroden 2 und 3 zugeführt werden.
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Werden die Multiplikatoren 16 und 24 durch D/A-Umsetzer ersetzt, so
können die genannten Beeinflussungen der Regelung durch einen Prozeßrechner, ein
System der digitalen Signalverarbeitung oder dgl. in Abhängigkeit von der Sekundärspannung
des Ofentransformators vorgenommen werden0 Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
ist zur Begrenzung des;maxim8len Elektrodenstromes zusätzlich ein für die Regel
ejnrichtungen aller drei Elektroden gemeinsamer Stromregler
vorgesehen.
Der Regelverstärker 29 des Stromreglers vergleicht über drei Bewertungswiderstände
30,31,32, von denen der erstgenannte der Elektrode 4, der zweitgenannte der Elektrode
3 und der letztgenannte der Elektrode 2 zugeordnet ist, die Summe der Ströme dieser
drei Elektroden mit einem über ein Potentiometer 33 einstellbaren und von einem
Widerstand 34 bewerteten Grenzwert. Bei Uberschreitung dieses Grenzwertes gibt der
Regelverstärker 29 über einen aus Polaritätsgründen erforderlichen Umkehrverstärker
35 und drei Bewertungswiderstände 36,37,38 ein zusätzliches Signal in Richtung "Heben"
auf die Regler aller drei Elektroden. Über ein Potentiometer 39 und eine Diode 40
kann der Regelveratärker 29 des Stromreglers auf Ausgangsspannungen einer Polarität
begrenzt werden. Mit diesem Regler wird eine sehr wirksame Strom begrenzung erreicht,
da durch eine entsprechende Einstellung ein sehr schnelles Ansprechen der Regelung
auf Überstrom erreicht und damit das Auslösen des Ofenloistungsschalters bei längeren
Kurzschlüssen durch Schrotteinbrüche verhindert wird.
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Es kann auch, abweichend von der Darstellung, die Regelung jeder einzelnen
Elektrode mit einem Begrenzungsregler ausgerüstet werden. Dieser kann mit seinem
Ausgangssignal entweder nur auf die jeweilige Elektrode oder auf alle drei Elektroden
aufgeschaltet werden. Weiterhin ist es möglich, mit dem gemeinsamen Regler über
eine als 1?Größtwertauswahl1, bekannte Schaltung nicht die Summe der Elektrodenströme,
sondern den jeweils größten Wert zu begrenzen.
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Mit den Potentiometern 41,42 und den Dioden 43,44 kann die Ausgangsspannung
des Regelverstärkers 10 begrenzt werden. Da die
Ausgangs spannung
als Eingangsgröße des nachgeschalteten Stellgliedes 21 die Führungsgröße für die
Elektrodengeschwindigkeit darstellt, ergibt sich die Möglichkeit. einer für die
Richtungen "Heben" und "Senken" unterschiedlichen Einstellung der maximalen Elektrodengeschwindigkeit.
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Gegenüber den bekannten Ausführungen weist die. Regeleinrichtung nach
der Erfindung insbesondere die folgenden Vorteile auf Leichte Einstellbarkeit der
Reglerparameter, selbsttätige Anpassung der Reglerparameter an Parameterschwankungen
der Regelstrecke, Einstellmöglichkeit einer von der reinen Impedanzregelung abweichenden
Kennlinie als Funktion der Spannung des Ofentransformators, Vermeidung des Auslösens
des Ofenleistungsschalters beim Schrott zusammenbruch durch entsprechende Strombegrenzung,
leichte Einstellmöglichkeit zur Begrenzung der Elektrodenge schwindigkeit, externe
Eingriffsmöglichkeiten in die Sollwertvorgabe (z.B. für Ansteuerung durch einen
Rechner).
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11 Seiten Beschreibung, 14 Patentansprüche und 2 Blatt Zeichnungen
mit zwei Figuren