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Einrichtung zur Regelung der Lichtbogenlänge in Drehstrom-Lichtbogenöfen
Lichtbogenöfen sind niederohmige Verbraucher, da sie bei hohen Strömen mit relativ
niedrigen Spannungen betrieben werden. Durch die hohen Ströme werden starke magnetische
Wechselfelder erzeugt, die in allen Schleifen des Systems im Vergleich zur Netzspannung
nicht unbeträchtliche Spannungen induzieren können. Diese induzierten Spannungen
führen zu der sogenannten scharfen und toten Phase. Das bedeutet, daß die drei Lichtbogen
eines Drehstrom-Lichtbogenofens oder eines Reduktionsofens mit gedecktem Lichtbogen
mit unsymmetrischer Lichtbogenspannung und/oder unsymmetrischer Lichtbogenleistung
und/oder unsymmetrischen Strömen betrieben werden. Eine Folge dieser Unsymmetrien
ist normalerweise, daß der Verschleiß der Ofenzustellung in der Nähe der drei Elektroden
stark unterschiedlich ist.
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Der sogenannte Zustellungsverschleißkoeffizient, der in bezug auf
die elektrischen Größen durch das Produkt aus Lichtbogenspannung und Lichtbogenleistung
gegeben ist, wird als Maß ftir die Ursache des Verschleißes angesehen (AIME 1962,
Heft 20, Seiten 195 bis 206). Es ist einleuchtend, daß grundsätzlich die Spannung
über die Lichtbogenlänge und die Leistung über die Strahlungsintensität des Lichtbogens
sowie Verdampfungen in die Verschleißursache eingehen müssen. Die Lichtbogenleistung
läßt sich als Produkt von Lichtbogenspannung und Lichtbogenstrom ausdrücken. Der
Lichtbogenstrom ist mit bekannten Methoden, z. B. mittels eines Stromwandlers, meßbar.
Wenn sich auch die Lichtbogenspannung richtig messen läßt, kann durch Versuche eine
empirische Formel für den Zustellungsverschleißkoeffizienten gefunden werden.
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Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag läßt sich die Lichtbogenspannung
aus der Strangspannung, dem Wirkspannungsabfall auf der zugehörigen Leitung und
den auf die Gegeninduktivitäten des Systems zurückzuführenden Blindspannungsabfällen,
die den zeitlichen Ableitungen der Ströme in den beiden anderen Leitungen proportional
sind, ohne prinzipielle Fehler indirekt bestimmen (DT-OS 2 405 252 8 VPA 74/8303).
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Es ist ferner bekannt, den Elektrodenabstand bzw. die Lichtbogenlänge
in Abhängigkeit von der Impedanz eines Lichtbogenofens zu regeln (DT-PS 1 183 185).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zustellungsverschleißkoeffizienten
wirtschaftlich optimal zu begrenzen und an allen drei Elektroden des Ofens voll
auszunutzen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Jeder Elektrode
ein Lichtbogenspannungsregler zugeordnet ist, dem als Zusatzsollwert das Ausgangssignal
Je einer Einrichtung zugeführt ist, die den Zustellungsverschleißkoeffizienten in
Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung und dem Lichtbogenstrom regelt.
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An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird
die Erfindung im folgenden näher erläutert.
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Nach Figur 1 ist Jeder Elektrode ein Lichtbogenspannungsregler 2 zugeordnet7
der in der üblichen Weise einer die Verstellgeschwindigkeit der Elektroden regelnden
Einrichtung 3 überlagert ist. Das Ausgangssignal des Reglers 3 ist einem Steuergerät
4 zugeführt, das die Elektroden des Lichtbogenofens und damit die Lichtbogenlänge
einstellt.
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Der beispielsweise bei einem motorischen Antrieb der Elektroden mittels
eines Tachogenerators 5 gemessene Istwert der Verstellgeschwindigkeit V ist auf
den Eingang des Reglers
3 zurUckgefUhrt. Der Block 6 versinnbildlicht
die Einrichtungen zur Messung des Lichtbogenstromes I und der Lichtbogenspannung
UL, die entsprechend dem eingangs erwähnten Vorschlag indirekt aus dem Meßwert für
die Strangspannung, dem Wirkspannungsabfall auf der zugehörigen Leitung und den
Blindspannungsabfällen ermittelt wird.
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In einem Multiplikator 1 wird der Sollwert UL* für den Regler 2 als
Produkt aus dem dem Sollwert RL* des Lichtbogenwiderstandes entsprechenden Ausgangssignal
eines Stromreglers 7 und aus dem dem Lichtbogenstrom I entsprechenden Signal gebildet.
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Aus der in der Einrichtung 6 ermittelten Lichtbogenspannung UL, dem
Sollwert UL* und einem von einer den Zustellungsverschleißkoeffizienten kV regelnden
Einrichtung 8 gelieferten Korrekturwert auL wird die Regelgröße für den Regler 2
gebildet.
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In Figur 1 ist nur die Regeleinrichtung für die an die dritte Phase
des Versorgungsnetzes angeschlossene Elektrode dargestellt und für die Regeleinrichtungen
der drei Elektroden ein gemeinsamer Sollwert für den Lichtbogenwiderstand vorgesehen,
den der Stromregler 7 durch Vergleich des vorgegebenen maximalen Lichtbogenstromes
-Cmax mit dem jeweils höchsten, mittels Dioden 9 bis 11 ermittelten Istwert der
Lichtbogenströme liefert. Der Stromregler erhöht also den Widerstandssollwert, wenn
in einer der drei Elektroden der Sollwert für den maximalen Elektrodenstrom überschritten
wird.
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Bei einer Herabsetzung der Transformatorspannung und fest vorgegebenem
Sollwert kv* für den Zustellungsverschleißkoeffizienten wirkt beispielsweise die
Stromregelung im Sinne einer Verkürzung des Lichtbogens, die Regelung des Verschleißkoeffizienten
dagegen im Sinne einer Verlängerung des Lichtbogens, und infolgedessen wird das
System
gegensinnig beeinflußt. Unter der Voraussetzung, daß der
Verschleißkoeffizient linear von der Leistung P und der Lichtbogenspannung UL abhängig
ist, ergibt sich der Verschleißkoeffizient zu kV = 2 I. Zur Bildung dieses UL Produktes
sind an die die Lichtbogenspannung UL ermittelnde Einrichtung 6 ein Multiplikator
12 zur Bildung von U2L und an diesen ein weiterer Multiplikator 13 angeschlossen.
Als Sollwert fUr den Verschleißkoeffizienten wird kein Fest- oder Grenzwert, sondern
ein in einer der drei Phasen auftretender Verschleißkoeffizient vorgegeben.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Verschleißkoeffizient in der Phase
2 als Bezugsgröße gewählt, die über einen Proportionalverstärker 14 dem Regler 8
der Phase 3 und über einen weiteren Proportionalverstärker 15 dem Regler 8 der Phase
1 zugeführt ist. Der als Bezugsgröße dienende Verschleißkoeffizient wird ferner
in einem Grenzwertmelder 16 darauf überwacht, ob er einen vorgegebenen Maximalwert
überschreitet.
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Gegebenenfalls löst der Grenzwertmelder eine Senkung der Sekundärspannungen
des Ofentransformators aus.
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Da kV = U2L . I und die Leistung P = UL I ist, wird zweckmäßigerweise
das Verhältnis kV/P möglichst klein, d. h. UL möglichst klein, aber I möglichst
groß gewählt. Es ist daher sinnvoll, dem Stromregler, der den maximal zulässigen
Elektrodenstrom regelt, den Vorrang zu geben. Infolge der Verhältnisregelung stellt
sich der Zustellungsverschleißkoeffizient als abhängige Größe passend ein. Die Regelt
in richtung für den Verschleißkoeffizienten stellt also im Ausführungsbeispiel das
Verhältnis der drei Verschleißkoeffizienten, im Normalfall 1:1:1 ein, da einer der
Verschleißkoeffizienten als Führungsgröße für die beiden anderen wirkt. Es darf
lediglich ein zulässiger Maximalwert nicht überschritten werden. Dies ist bei einer
derartigen Optimierung nur durch Begrenzung der Transformatorspannung möglich. Bei
einer Überschreitung des zulässigen Verschleißkoeffizienten wird daher im Normalfall
eine Signalgabe durch den Grenzwertmelder 16 genügen, jedoch kann eine weitere Erhöhung
der
Transformatorspannung blockiert werden. Statt der Verhältnisregelung für die Verschleißkoeffizienten
kann der Maximalwert der Elektrodenströme für alle drei Elektroden ausgenutzt werden
und eine Uberschreitung des zulässigen Verschleißkoeffizienten einer Elektrode ein
Signal oder Kommando zur Spannungsbegrenzung auslösen.
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Die dafür erforderliche Schaltungsänderung ist in den Figuren 2 und
3 angegeben, wonach für den Verschleißkoeffizienten in jeder Phase ein Grenzwertmelder
17 vorgesehen und Jeder Phase ein eigener Stromregler 18 zur getrennten Vorgabe
der Lichtbogenspannung zugeordnet ist. Der Grenzwertmelder 17 und der Stromregler
18 ersetzen die vor bzw.
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außerhalb der gestrichelten Linie liegenden Teile 7 bis 11 bzw. 14
bis 16 der Figur 1.
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Ist eine unsymmetrische Spannungseinstellung möglich, wie sie beispielsweise
manche Ofentransformatoren bieten, kann die Überschreitung des zulässigen Verschleißkoeffizienten
kV* zur automatischen Spannungs senkung durch den Grenzwertmelder 17 in dem betroffenen
Strang herangezogen werden; es kann auch über die Strangspannung ein Sollwert kv*
eingeregelt werden. Im letzteren Fall ergibt sich die maximale Lichtbogenleistung,
d. h. optimale Ausnutzung der Anlage.
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Besonders einfache Verhältnisse ergeben sich, wenn es sich um eine
symmetrierte Anlage handelt, d. h. die Ersatzschaltbillnduktivitäten aller drei
Phasen annähernd gleich groß sind. Dann ist auch mit einem Transformator mit nur
symmetrischer Sparmungseinstellung eine Symmetrie der Ströme und der Verschlei(,l.oeffizienten
erreichbar. Der Grenzwert melder 17 oder ersatzweise ein Transformatorspannungsregler
wirkt dann über Signalgabe oder direkt auf die Spannungsverstellung ein.
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Mit einer Anordnung gemäß dieser Erfindung kann ein unsymmetrischer
oder symmetrierter Lichtbogenofen nach Programm im
Sinne einer optimalen
Ausschöpfung der verfügbaren Leistung gefahren werden. Beispielsweise wird während
des Einschmelzens von Schrott der maximale Stromsollwert 1* max und ein nicht erreichbar
hoher Verschleißkoeffizient-Sollwert kV*max " eingestellt. Bei höchster Transformatorspannung
wird mit dem höchsten zulässigen Lichtbogenstrom gefahren. Wenn der zusammenschmelzende
Schrott keinen Strahlungsschutz mehr für die Zustellung bietet, kann bei gleichbleibendem,
maximalem Stromsollwert der Verschleißkoeffizient-Sollwert auf das zulässige Maß
herabgesetzt werden.
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Wenn beim oder nach dem Frischen nicht mehr die volle Leistung benötigt
wird, können der Strom- und der Verschleißkoeffizient-Sollwert beispielsweise proportional
herabgesetzt werden. Dadurch bleibt die eingeregelte Lichtbogenspannung UL konstant,
d. h. die mittlere Lichtbogenlänge verringert sich bei sinkendem Strom nur ein wenig.
Eine solche proportionale oder auch nicht proportionale Verstellung der beiden Sollwerte
kann beispielsweise, wie in Figur 4 dargestellt, durch einen dem Stromregler 18
überlagerten Leistungsregler 19 erzielt werden. Die Lichtbogenleistung P jeder Elektrode
kann mit Hilfe des erwähnten Meßsystems für Lichtbogenöfen (DT-OS 2 405 252 = VPA
74/8303) und eines Multiplikators 22 (Fig. 4) als Produkt aus UL und I bestimmt
werden.
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Die Anordnung nach Figur 1 setzt die Verwendung einer weitgehend herkömmlichen
Impedanzregelung voraus, die jedoch als Lichtbogenwiderstandsregelung modifiziert
ist. Der Vorteil des Prinzips liegt darin, daß beim ersten Absenken der drei Elektroden
diejenige, die den Schrott oder das Bad als erste berührt, über die Regelung sofort
stillgesetzt wird, weil die Impedanz dieses Stranges bzw. der Lichtbogenwiderstand
zu Null wird. Andererseits ist aber der Lichtbogenwiderstand eine weitgehend stromabhängige
Größe. In weiten Bereichen der Kennlinie eines Lichtbogens ist die Lichtbogenspannung
weitgehend
konstant, während der Lichtbogenwiderstand in diesem Bereic}i der Kennlinie sich
stark ändert.
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In Figur 5 ist die Abhängigkeit der Lichtbogenspannung UL vom Lichtbogenstrom
I dargestellt. Die Kennlinie a gilt für einen langen, die Kennlinie b für einen
kurzen Lichtbogen. Die Lichtbogenspannung ist jedoch eindeutig von der Lichtbogenlänge,
d. h. vom Abstand zwischen Elektrode und Bad, abhängig, wenn man von den schnellen
Veränderungen der Lichtbogenlänge absieht, die zu den bekannten Flickererscheinungen
führen.
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Für viele Lichtbogenöfen wird es daher günstiger sein, statt einer
Regelung des Lichtbogenwiderstandes entweder ausschließlich oder angenähert eine
Regelung der Lichtbogenspannung zu verwenden. Wird die Ausgangsspannung des Stromreglers
7 in Figur 1 nicht als Sollwert für den Widerstand, sonde:rn unter Vermeidung des
nachfolgenden Multiplikators direkt als Sollwert für die Lichtbogenspannung verwendet,
wie bereits in den Figuren 3 und 4 vorgesehen, dann sind Vorkehrungen, z. B.
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durch Wahl der Kennlinie des Stromreglers 18, zu treffen, damit die
erste das Bad berührende Elektrode auf der Bad-bzw. Schrottoberfläche zwischen Berühren
und Unterbrechen des Kontaktes durch die Regelung dauernd auf und- nieder bewerÜ
wird; denn vor der Berührung wäre die Phasenspannung greifer als ein vorgegebener
Sollwert der Lichtbogenspannung, nach aber Berührung bricht die Phasenspannung auf
NulL zusammen. Spezlf:'l im Hinblick auf diesen Betriebsfall ist eine Einflußnahme
guf den Sollwert der Lichtbogenspannung erforderlich, beispielsweise derart, daß
sich erst bei fließendem Lichtbogenstrom ein endlicher Sollwert der Lichtbogenspannung
einstellt. Figur 6 zeigt einen weiteren Schaltungsvorschlag. Der für alle Phasen
gemeinsame Stromregler 7 liefert den Sollwert für die Lichtbogenspannung. Der Sollwert
stellt aber nur einen Grenzwert dar, bei dem je Phase ein vom Lichtbogenstrom ausgesteuerter
Funktionsgeber 23 sowohl
im positiven als auch im negativen Bereich
an den Anschlag läuft. Überschreitet der Strom-Ist-Wert die vorgegebenen Maximalwerte,
dann wird der Grenzwert der Lichtbogenspannung erhöht bzw. erniedrigt, wie durch
die im Funktionsgeber gestrichelt gezeichneten Linien angedeutet.
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Der Funktionsgeber gibt einen etwa trapezförmigen Sollwert für die
Lichtbogenspannung ab. Der dem Funktionsgeber als Istwert zugeführte Momentanwert
der Lichtbogenspannung ist ebenfalls angenähert trapezförmig, so daß ohne Gleichrichtung
und Glättungsglieder Soll- und Istwert für die nachfolgende Regelung unmittelbar
gegeneinander geschaltet werden können. Dies wird sich besonders bei schnellen Reglern
vorteilhaft bemerkbar machen. Solange kein Strom fließt, wird auch kein Sollwert
für die Lichtbogenspannung abgegeben. Wenn sich lückender Strom einstellt (relativ
langer Lichtbogen), weichen die Momentanwerte des Sollwertes der Lichtbogenspannung
von dem Istwert der Lichtbogenspannung während der Lückzeit nennenswert ab. Der
Einfluß auf die Regelung hat jedoch die richtige Tendenz; es wird nämlich ein verstärktes
Senken der Elektrode eingeleitet und dadurch dem Lücken des Stromes verstärkt entgegengewirkt.
Betriebszustände mit lückendem Strom erscheinen grundsatzlich nicht sinnvoll.
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T)ie in Bild 6 dargestellte Schaltung läßt sich sinngemäß au: den
Fall unsymmetrisch einstellbarer Transformator-SekunflRrspannungen übertragen, wie
dies in der entsprechend Figur 2 abgeänderten Ausführung der Figur 1 füar den Fall
e iner einer Lictttuogsnwiderstandsregelung dargestellt ist.
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Bei Lichtbogenöfen, die mit hohen Strömen betrieben werden (z. B.
Ultra-high-power-Öfen), kann es wegen des Wiederanstieges der Lichtbogenkennlinie
unter Umständen sinnvoll sein, den eingeregelten Gren7wert (Anschlag des uL-Gebers)
mit einem mehr oder minder starken Proportionalverhalten in
Abhängigkeit
vom eingegebenen Strom zu versehen; d. h.
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die u*L-Werte wachsen mit der Größe des Momentanwertes des Lichtbogenstromes
mehr oder minder stark an.
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11 Patentansprüche 6 Figuren