DE3025466A1

DE3025466A1 - Lichtbogen-ofenanlage

Info

Publication number: DE3025466A1
Application number: DE19803025466
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr.-Ing. 4600 Dortmund Brokmeier
Original assignee: ERO-STARKSTROM KONDENSATOREN GmbH; ERO STARKSTROM KONDENSATOREN; Ero-Starkstrom Kondensatoren 8300 Landshut GmbH
Current assignee: Roederstein Spezialfabriken fur Bauelemente Der E
Priority date: 1980-07-04
Filing date: 1980-07-04
Publication date: 1982-02-04

Description

Lichtbogen-Ofenanlage
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtbogen-Ofenanlage mit über einen Transformator aus einem Wechselstromnetz gespeisten Lichtbogen-Elektroden.
Bei der Anfangs entwicklung von Lichtbogenöfen wurde elektrotechnischen Gesichtspunkten höchste Priorität eingeräumt.
Es wurde versucht, durch Einstellung der Regelung und Wahl eines langen Lichtbogens den Betriebspunkt so zu wählen, daß ein möglichst hoher cos 0 und durch Wahl eines relativ niedrigen Stromes infolge geringer Stromwärmeverluste auf den Leitungen ein guter Energieübertragungswirkungsgrad erreicht wurde. Eine derartige Lichtbogen-Ofenanlage ist schematisch in Fig. 1A dargestellt, wobei Fig. 1B eine Strom-Spannungs-Ortskurve für den Betrieb einer derartigen Anlage zeigt.
Gemäß Fig. 1A wird aus einem Drehstromnetz 1, 2, 3 ein Transformator 4 mit angezapften Primärwicklungen 5, 6 und 7 und Sekundärwicklungen 8, 9 und 10 gespeist. Die Sekundärseite des Transformators 4 ist über Zuleitunten 11, 12 und 13 an Lichtbogen-Elektroden 14, 15 und 16 angekoppelt, welche beispielsweise auf ein schematisch dargestelltes zu schmelzendes Gut 17 arbeiten. Im Strom-Spannungs-Diagramm nach Fig. 1B ist als Ortskurve der Zusammenhang zwischen Strom I und Spannung U dargestellt. In dieser Kurve sind für die obengenannte Wahl eines möglichst hohen cos der Arbeitspunkt mit dem entsprechenden Winkel 0 sowie der Kurzschlußpunkt eingetragen.
In einer zweiten Entwicklungsphase wurde unter dem Druck niedriger Kosten ein sogenannter UHP-Ofen (Ultra High Power-Ofen) geschaffen. Für eine derartige Ofenanlage sind die entsprechenden Verhältnisse in den Fig. 2A und 2B dargestellt, wobei gleiche Elemente wie in der Anlage nach Fig 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei wird durch Wahl des Arbeitspunktes gemäß Fig. 2B infolge der damit verbundenen kurzen Lichtbogenlänge die Strahlung auf die Ofenwand vermindert und deshalb eine höhere Leistung zulässig sowie die maximale Wirkleistung aus dem elektrischen Kreis entnommen.
Als Folge ergibt sich jedoch ein Leistungsfaktor von 0,7 verbessert durch die Stromwärmeverluste auf der Zuleitung auf cos 0 < 0,7.
Um den Anforderungen der Elektrizitätsversorgungsunternehmen auf cos < 0,9 zu genügen, werden mit Rücksicht auf niedrige Spannungen auf der Sekundärseite Kompensationskondensatoren 18, 19 und 20 auf der Primärseite vorgesehen. Allen bisherigen Überlegungen der vorgenannten ersten und zweiten Entwicklungsphase lag die Annahme zugrunde, daß es sich um Vorgänge mit einer Frequenz handelt, wobei sich alle Berechnungen auf dieser Annahme aufbauen.
Es ist jedoch physikalisch bekannt, daß die Stromspannungscharakteristik, insbesondere in einer Einschmelzphase, nicht sinusförmig ist.
Aus den physikalischen Gegebenheiten erklärt sich dann auch das Auftreten von Oberwellen, wobei angenommen werden kann, daß die elektromagnetischen Kräfte auf den Strom des Lichtbogens ein Wandern des Lichtbogenfußpunktes und damit niederfrequente Schwingungen zur Folge haben. Außerdem ist zu vermuten, daß die stark wechselnden Bedingungen Änderungen des Lichtbogens und daraus resultierend Lärmwirkungen zur Folge haben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtbogen-Ofenanlage der in Rede stehenden Art anzugeben, bei welcher der Arbeitspunkt so gewählt ist, daß Oberwellen, niederfrequente Schwingungen und Lärm vermindert werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Lichtbogen-Ofenanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwecks Erzielung eines primär induktiven elektrischen Verhaltens des Lichtbogenkreises durch Erhöhung der Zuleitungsinduktivität zu den Lichtbogen-Elektroden auf der Sekundärseite des Transformators ein Arbeitspunkt mit cos 0 < 0,7 festgelegt wird, worin j den Winkel ,des Arbeitspunktes in einer Str-om-Spannungs-Ortskurve bedeutet.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß der Lichtbogen dadurch stabilisiert werden kann, das der Strom im Sekundärkre-is weitgehend durch eine konstante Induktivität und nur geringfügig durch den Lichtbogen bestimmt wird.
Eine derartige Stabilisierung vermindert die Oberwellen und hat-positive Auswirkungeri- auf- Schwingungen und Lärm.
Die Festlegung der Induktivität kann dabei beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Leitungsabstände in den Zuleitungen zu den Lichtbogen-Elektroden erhöht werden.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ausgestalteten Lichtbogen-Ofenanlage ist in den Fig. 3A und 3B dargestellt, wobei Fig. 3A eine erfindungsgemße ausgebildete Ofenanlage, und Fig. 3B eine Strom-Spannungs-Ortskurve für die Ofenanlage nach Fig. 3A zeigt.
In Fig. 3A, in der gleiche Elemente wie in den Fig. 1A-und 2A mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, werden Kondensatoren 18, 19 und 20 über schematisch darqest-ellte steuerbare Schalter 21, 22 und 23 geschaltet. -r.
Mit der Dimensionierung #L 2' R, worin # die Kreist frequenz, L die Induktivität und R den Wirkwiderstand bedeuten, wandert der Arbeitspunkt gemäß der Ostskurve nach Fig. 3B stark in den induktiven Teil. Damit wird zwar der Leistungsfaktor cos # < 0,7 aber die notwendige Sekundär-Spannung höher. Mit höherwerdender Sekundärspannung können die Kompensationskondensatoren 18, 19 und 20 wirtecha'f£l'ich' auf der Sekundärseite angebracht werden. ~' Insbesondere ist es dabei zweckmäßig, die Kondensatoren 18, 19 und 20 auf der Sekundärseite so nahe wie möglich am Transformator 4 vorzusehen, um diese Kondensatoren 18, 19 und 20 mit ausreichend hoher Spannung zu betreiben Weiterhin ist es insbesondere zweckmäßig, den Kondensa£or-' anschlußpunkt so zu wählen, daß bei lichtbogenfreiem Ofen ein abschaltungsfreies Eingeschaltetsein der Kondensatoren 18, 19, 20 ohne störende Beeinflussung von Transformator 4, Netz 1, 2, 3 und Kondensatoren 18, 19, 20 möglich ist.
Die Kondensatoren 18, 19 und 20 werden bei nichtbrennendem Lichtbogen durch die steuerbaren Schalter 21, 22 und 23 geschaltet.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit uL » R bringt eine Reihe von Vorteilen, die offenbar bisher nicht erkannt wurde. Die anfallende höhere Blindleistung kann dlrch die als Niederspannungskondensatoren ausgebildeten Kondensatoren 18, 19 und 20 auf der Sekundärseite wirtschaftlich kompensiert werden. Die höhere Anschluß spannung für die Kondensatoren 18, 19, 20 bringt im wesentlichen keinen Mehraufwand, sondern nut:t nur deren ohnehin vorhandene Spannungsreserve aus. Insbesondere die geänderte Technologie bei heutigen Niederspannungskondensatoren (verlustarmes, metallisiertes Kunststoff-Folien-Dieelektrikum) ist auch bezüglich der Verluste mit Hochspannungskondensatoren vergleichbar.
Durch die erfindungsgemäß angestrebte bisher als ungünstig erachtete niedrige Wahl des cos auf der Sekundärseite und eine "Vorort-Kompensation" auf cos = 1 werden wesentliche Vorteile, wie besseres Brennverhalten des Lichtbogens, geringere Lärmentwicklung, kleinerer Verschleiß und weniger Flickerrückwirkungen erzielt.
Darüber hinaus ist es möglich, die eingesetzten Transformatoren nur für den Wirkleistungsbedarf auszulegen.
Durch die parallele Ankopplung der Kondensatoren 18, 19 und 20 wird der Blindleistungsbedarf automatisch mit der ohnehin vorhandenen Transformator-Stufenschaltung den Lastverhältnissen angepaßt, was primärseitig wegen der starren Spannung nur durch eine eigene Regeleinrichtung möglich wäre.
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Claims

Patentansprüche 11.1 Lichtbogen-Ofenanlage mit über einen Transformator aus einem Wechselstromnetz gespeisten Lichtbogen-Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzielung eines primär induktiven Verhaltens des Lichtbogenkreises durch Erhöhung der Zuleitungsinduktivität zu den Lichtbogen-Elektroden (14, 15, 16) auf der Sekundärseite des Transformators (4) ein Arbeitspunkt mit cos 0 < 0,7 festgelegt wird, worin 0 den Winkel des Arbeitspunkts in einer Strom-Spannungs-Ortskurve bedeutet.
2. Lichtbogen-Ofenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sekundärseite (8, 9, 10) des Transformators (4) Kondensatoren (18, 19, 20) so nahe wie möglich am Transformator (4) vorgesehen sind, um die Kondensatoren (18, 19, 20) mit ausreichend hoher Spannung zu betreiben.
3. Lichtbogen-Ofenanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatoranschlußpunkt so gewählt ist, daß bei lichtbogenfreiem Ofen ein abschaltungsfreies Eingeschaltetsein der Kondensatoren (18, 19, 20) ohne störende Beeinflussung von Transformator (4), Netz (1, 2, 3) und Kondensatoren (18, 19, 20) möglich ist.
4. Lichtbogen-Ofenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (18, 19, 20) bei nicht brennendem Lichtbogen durch Schalter (21, 22, 23) geschaltet werden.