<Desc/Clms Page number 1>
Digitale Kompensations-und Symmetrierungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine grosse Anzahl zweipoliger Verbraucher, wie Induktionsöfen, Schweissmaschinen u. dgl., die einphasig an Drehstromnetze angeschlossen werden. Diese Verbraucher haben eine hohe Leistungsaufnahme und belasten das Drehstromnetz in unzulässiger Weise unsymmetrisch. Durch kapazitive bzw. induktiveBlindwiderstände in den beiden andern Phasen kann die Symmetrie wieder hergestellt werden. Voraussetzung ist jedoch, dass der zweipolige Verbraucher einen ohmschen Widerstand darstellt. In der Praxis sind diese Verbraucher jedoch keine reinen Wirkwiderstände und ihr zumeist induktiver Blindanteil muss durch entsprechende Zuschaltung von Kapazitäten auf den Leistungsfaktor cos cl = 1 kompensiert werden.
Da sich der Wirk- und Blindanteil des zweipoligen Verbrauchers während des Arbeitsvorganges ver- ändern kann, muss die Kompensation des Blindanteils und somit auch die Symmetrierung ständig erfolgen. Vorteilhaft erfolgt dies selbsttätig mittels einer Regeleinrichtung ; derartige Einrichtungen sind mehrfach bekanntgeworden. Sie arbeiten entweder mit Messwerkregler (Fallbügelregler), dessen Messwerke Blind- bzw. Wirkleistungsmesser sind, oder nach dem Prinzip des Stromvergleichs der einzelnen Phasen, wobei die Differenz derselben polarisierte Relais steuert, die entsprechende Kapazitäten oder Induktivi- täten zur Kompensation und Symmetrierung über Schaltwalzen, Schaltschütze od. dgl. zu-bzw. abschalten.
Diese Regeleinrichtungen weisen jedoch Nachteile auf, so haben sie z. B. Dreipunktcharakteristik, geben also nur die Richtung der Abweichung, nicht jedoch deren Betrag an. Es werden also nacheinander so viel Kondensatoren zu-bzw. abgeschaltet, bis der cos Cf = 1 ist. Aus Gründen der Feinstufigkeit sind dabei eine grössere Anzahl Kondensatoren gleicher Kapazität vorzusehen, je mehr um so genauer die Regelung.
Das bedingt eine ebenso grosse Zahl von Schaltschützen und eine hohe Schalthäufigkeit, damit also grossen Verschleiss. Weiterhin werden für die Symmetrierung und die Kompensation je ein Regler benötigt, wobei aus prozessbedingten Gründen die Symmetrierung erst nach erfolgter Kompensation durchge- führt werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Mängel zu beseitigen. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die Phasenverschiebung des Verbrauchers und die Unsymmetrie des Drehstromnetzes auf eine Phasen-Winkelmessung zurückgeführt und mittels eines Messgliedes der Phasenwinkel periodisch abgetastet und in richtungsabhängige Impulse, deren Anzahl dem Betrag der Phasenverschiebung bzw. der Unsymmetrie proportional ist, umgewandelt wird.
Am Beispiel eines einphasigen Induktionsofens soll an Hand der Zeichnungen in den Fig. l - 4 die Erfindung näher erläutert werden.
In Fig. l ist ein einphasiger Induktionsofen 1 im Drehstromnetz RST dargestellt. Mit einer Kondensatorbatterie 2 soll der Blindanteil des Ofens kompensiert werden. Eine Kondensatorbatterie 3 und eine Induktivität 4 dienen zur Symmetrierung, wobei aus Fertigungsgründen der Einfluss der Induktivität 4 mit einer parallelgeschalteten Kondensatorbatterie 4a verändert wird. An Stelle der Kondensatorbatterie 4a könnte auch die Induktivität 4 stufenweise zu-bzw. abgeschaltet werden.
Die Kompensation erfolgt in der Weise, dass die Spannung URT mit einem Transformator 5 auf einen Mess-Trigger 6 über Umschaltkontakte 7 gegeben wird, der aus der Sinusschwingung mit f = 50 Hz, Rechteckimpulse von 10 msec Dauer und 10 msec Abstand formt. Mit dem Stromwandler 8 wird über den Transformator 9 eine dem Phasenstrom JRT proportionale Spannung U über Um-
<Desc/Clms Page number 2>
schaltkontakte 10 auf einen Mess-Trigger 11 gegeben, der wie der Mess-Trigger 6 Rechteckim pulse gleicher Dauer und Abstände formt. Die dem Phasenstrom JRT proportionale Spannung U soll
EMI2.1
Spannung URT am Mess-Trigger 6 verschoben sein. In einem Impulsteiler 12, der z. B. aus einem monostabilen Multivibrator und einem Negator bestehen kann, wird der Rechteckimpuls vom Mess-Trigger 6 in zwei gleiche Rechteckimpulse von 5 msec geteilt.
Unter einem Negator wird dabei eine Baustufe, z. B. mit einem Transistor verstanden, die ein Signal umkehrt. Der erste dieser Impulse wird auf ein Koinzidenzglied 13 und der zweite, der dem ersten gegenüber um'ff/2 verschoben ist, auf ein Koinzidenzglied 14 gegeben. Auf die Koinzidenzglieder 13,14 gelangen auch die Rechteckimpulse vom Mess-Trigger 11. Bei vollständiger Kompensation des Ofenblindstromes sind diese Impulse um 1800 gegen den Impuls vom Mess-Trigger 6 und somit auch gegen die geteilten Impulse vom Impulsteiler 12 verschoben, so dass sie im Koinzidenzglied 13 bzw. 14 nicht mit den geteilten Impulsen koinzidieren können. Es entsteht also am Ausgang vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 kein Impuls.
Ist der Phasenstrom JRT gegenüber der Spannung URT um den Phasenwinkel : kg phasenverschoben, so ist auch die Spannung U am Mess-Trigger 11 um den Winkel 180 ¯# gegenüber der Spannung URT am Mess-Trigger 6 phasenverschoben und es koinzidiert, je nach der Richtung der Phasenverschiebung des Phasenstromes JRT, der Rechteckimpuls vom Mess-Trigger 11 mit dem geteilten Impuls im Koinzi- denzglied 13 bzw. 14. Die Dauer des Ausgangsimpulses des Koinzidenzgliedes 13 bzw. 14 ist der Phasenverschiebung des Phasenstromes JRT proportional und gibt somit den Betrag des Phasenwinkels an.
Die Richtung des Phasenwinkels cp ist dadurch gegeben, dass der Ausgangsimpuls am Koinzidenzglied 13 oder 14 entsteht, d. h. mit welchem Teilimpuls vom Impulsteiler 12 der Rechteckimpuls vom Mess-Trigger 11 koinzidiert. Die Kondensatorbatterie 2 besteht im allgemeinen aus einer grösseren Anzahl parallelgeschalteter gleich grosser Kondensatoren, die durch Schaltschütze je nach Phasenwinkel zu-bzw. abgeschaltet werden. Die Grösse der Kondensatorkapazität richtet sich nach der verlangtenGenauigkeit, mit der der Phasenwinkel so kompensiert werden soll ; die Anzahl der Kondensatoren richtet sich nach dem maximal auftretenden Phasenwinkel cp und der geforderten Genauigkeit.
Es muss also für jeden Kondensator ein Schaltschütz vorgesehen werden, welches dann durch eineSchalt- walze bzw. mit Impulsen geschaltet wird. Die Zuschaltung der Kondensatoren kann nach beliebigem Code erfolgen z. B. nach dem dekadischen Code mit den Schaltschritten l, 2,3, 4,5 usw., oder nach dem Binär-Code mit den Schritten l, 2,4, 8, 16 usw. Beim letzteren Code werden Schütze eingespart und die Schalthäufigkeit verringert, jedoch müssen bei grösseren Stufen dieselben in Gruppen unterteilt werden, um unzulässig hohe Schaltströme zu vermeiden.
Damit die nach einem beliebigen Code geschalteten Kondensatoren gesteuert werden können, muss der den Phasenwinkel zip proportionale Impuls vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 in eine Anzahl von Einzelimpulse, deren Anzahl der Länge des Impulses vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 proportional ist, umgewandelt werden. Dazu wird der Ausgangsimpuls vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 auf einen Impulsformer 15 bzw. 16 gegeben. Die Impulsformer 15 ; 16 sind Koinzidenzglieder, auf deren einen Eingang obengenannte Impulse von den Koinzidenzgliedern 13 bzw. 14 gegeben werden. Auf dem ändern Eingang werden von einem Frequenzgenerator 17 über einenMess-Trigger 18 undeinKoinzidenzglied 19 Rechteckimpulse einer Fre- quenz von mehreren kHz gegeben.
Am Ausgang des Impulsumformers 15 bzw. 16 entstehen dann während derZeit, in der der Ausgangsimpuls vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 anliegt, Impulse mit der Frequenz des Frequenzgenerators 17. Dessen Frequenz wird durch die Anzahl der Impulse bestimmt, die während der Zeit des Ausgangsimpulses von Koinzidenzglied 13 bzw. 14 benötigt werden, um so viel Kondensa- toreinheiten der Kondensatorbatterie 2 dem Induktionsofen zu-bzw. abzuschalten, dass der Phasenwinkel ex kompensiertwird. Die Ausgangsimpulse vomimpulsumtbrmer 15 bzw. 16 werden auf einen Vor- Rückwärtszähler 20 über Umschaltkontakte 23 gegeben.
Je nach dem verwendeten Code ist die Anzahl der Ausgänge zu bemessen, denen je ein Impedanzwandler 21 nachgeschaltet ist, der über Hilfsrelais W.'.. W dann den Schaltschütz des Kondensators schaltet, der der Grösse des Impulses vom Koinzidenzglied 13 bzw. 14 entspricht. Die Ausgangsimpulse. vom Impulsumformer 15 werden in Vorwartsrichtung in den Vor-Rückwärtszähler 20 eingezählt, d. h. zu dem eventuell gespeicherten Wert addiert ; die Ausgangsimpulse vom Impulsumformer 16 werden in Rückwärtsrichtung eingezählt, d. h. von dem eventuell gespeicherten Wert subtrahiert.
Durch die richtige Dimensionierung einer ständig eingeschalteten Grundkapazität 2a zu den Schaltkapazitäten der Kondensatorbatterie 2 wird verhindert, dass der Vor-Rückwärtszähler 20 unter den Wert Null gezählt wird. Werden z. B. beim Bmär- Codevomimpulsumformer 15 zwanzigAusgangsimpulseaufdenVor-Rückwärtszähler 20 gegeben, in dem gerade eine "Zwei" gespeichert ist, d.
h. ein Hilfsschütz W2 erregt ist, so werden die Hilfsre-
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
elf Ausgangsimpulse, so werden im Vor-Rückwärtszähler 2u von der gespeicherten "Zweiundzwanzig" elf Einheiten subtrahiert, damit fallen die Hilfsrelais w4 und w16 ab, während die Hilfsrelais wl und Wg erregt werden, Hilfsrelais w2 bleibtweiterhinerregt. Die Erfassung der Messwerte erfolgt durch eine von der Netzfrequenz gesteuerte Zeit, ebenso die Umschaltung von Kompensation auf Symmetrierung und umgekehrt, auf folgende Weise. Eine Wechselspannung mit 50 Hz wird auf einen Mess-Trigger 24 gegeben, dersieinRechteckimpulsevon10msecDauer und 10 msec Abstand umformt.
Diese Impulse gelangen auf einen Frequenzuntersetzer 25, aus dem Impulse von 20 msec Dauer und Abstand und Impulse von 10, 2 sec Dauer und Abstand entnommen werden. Die 20 msec Impulse werden auf das Koinzidenzglied 19 gegeben, ebenso die Impulse von 10, 2 sec Dauer des Ausganges A vom Frequenzuntersetzer 25, die über einen monostabilen Multivibrator 26 mit 25... 30 msec Impulsdauer in eben dieser Zeit auf das Koinzidenzglied 19 gelangen. Von dem Frequenzgenerator 17 über den MessTrigger 18 gelangen ständig Impulse hoher Frequenz an das Koinzidenzglied 19, die jedoch nur beim gleichzeitigen Vorhandensein der Impulse vom monostabilen Multivibrator 26 und der Impulse vom Frequenzuntersetzer 25 auf den Impulsumformer 15 bzw. 16 gelangen können.
Die Impulsfolge am Ausgang des Impulsumformers 15 bzw. 16 wird dann in der Dauer durch den Impuls vom Koinzi- denzgiied 13 bzw. 14 bestimmt und ist dem Phasenwinkel cp proportional.
Nach 20 msec ist der Impuls vom Frequenzuntersetzer 25 beendet, damit können vom Koinzidenzglied 19 keine Impulse mehr auf den Impulsumformer 15 bzw. 16 gelangen. Nach 20 msec gelangt vom Frequenzuntersetzer 25 wieder ein Impuls auf das Koinzidenzglied 19 ; da inzwischen 25...
30 msec vergangen sind und somit vom monostabilen Multivibrator 26 kein Impuls air Koinzidenzglied 19 anliegt, werden die Impulse hoher Frequenz nicht an den Impulsumformer 15 bzw. 16 weitergegeben. Der Phasenwinkel so zwischen Phasenstrom JRT und der Spannung URT wird also um 20 msec, d. h. eine Sinusschwingung, periodisch alle 20, 4 sec in Impulse umgeformt. In 10, 2 sec nach der Phasenwinkelmessung der Kompensation wird vom Frequenzuntersetzer 25, Ausgang A', wieder ein Impuls von 10, 2 sec Dauer abgegeben. Dieser Impuls schaltet über einen monostabilen Multivibrator 27 mit einer Impulszeit von ca. 0, 5 sec und einen Impedanzwandler 28 ein Relais 29.
Dieses schaltet mit seinen Umschaltkontakten 7 und 10 die Regeleinrichtung über den Transformator 40 an einen den Strom JR erfassenden Stromwandler 30 und über einen Transformator 31 an eine Spannung URO'und mit seinen Umschaltkontakten 23 an einen Vor-Rückwärtszähler 32, um die Symmetrierung durchzuführen. Bekanntlich ist dann das Drehstromnetz symmetriert, wenn der Strom JR mitderSpannung URO in Phase liegt, jede Unsymmetrie wird durch eine Phasenverschiebung zwischen JR und URO angezeigt. Der Mess- und Regelvorgang verläuft ebenso wie bei der Kompensation. Da die Symmetrierung nicht so feinstufig erfolgen wird, ist für die Impulsfolgebildung im Impulsumformer 15 bzw. 16 eine andere Frequenz erforderlich.
Die Frequenz von einigen kHz wird einem Frequenzgenerator 33 entnommen und über eine Mess-Trigger 34 auf ein Koinzidenzglied 35 gegeben.
Mit dem Impulsbeginn vom Ausgang A'des Frequenzuntersetzers 25 wird auch ein 20 msec Impuls vom Frequenzuntersetzer 25 auf einen Negator 36 gegeben, der den Impuls negiert und so- mit nach 20 msec d. h. den invertierten Impulsabstand von 20 msec auf das Koinzidenzglied 35 gibt.
Gleichzeitig wird der Impuls vom Ausgang A'des Frequenzuntersetzers 25 über einen monostabilen Multivibrator 37 mit der Impulszeit von zirka 45 msec auf das Koinzidenzglied 35 gegeben.
Liegen der invertierte Impulsabstand von 20 msec vom Negator 36 und der am Ausgang A'anste- hende Impuls vom monostabilen Multivibrator 37 gemeinsam an dem Koinzidenzglied 35, dann gelangen die Rechteckimpulse vom Frequenzgenerator 33 über Mess-Trigger 34 und Koinzidenzglied 35 auf den Impulsumformer 15 bzw. 16. Dadurch wird der Impuls vom Koinzidenzglied 13 bzw.
14, der dem Phasenwinkel # zwischen Strom JR und Spannung URO entspricht, in eine Anzahl proportionaler Impulse umgeformt, die unter Berücksichtigung des Vorzeichens in den Vor-Rückwärtszähler 32 eingezählt werden. Am Ausgang des Vor-Rückwärtszählers 32 werden die entsprechenden Kondensatoren bzw. Drosselstufen über Impendanzwandler 38 und Hilfsrelais 39 zu-bzw. abgeschaltet. NachderImpulszeit vom monostabilen Multivibrator 27 fällt das Relais 29 ab und die Umschaltkontakte 7 ; 10 und 23 schalten vorbereitend auf Kompensation um.
Durch den Negator 36 wird eine Verzögerungszeit von 20 msec erzielt, damit das Relais 29 ansprechen kann, ohne dass ein
EMI3.2
Impulsumformerhängige von eventuellen Phasenverschiebungen zwischen dem Drehstromnetz und der 50 Hz Spannung vom Frequenzuntersetzer 25, übereine Sinusschwingung der Messwert erfasst werden kann. Mit drei gleichen
<Desc/Clms Page number 4>
Widerständen 41 wird ein Sternnetz nachgebildet, so dass die Spannung URO abgegriffen werden kann. Zur Messung kann auch eine Spannung UST herangezogen werden, da der Strom JR senkrecht darauf steht, und muss dann zwischen Mess-Trigger 11 und Koinzidenzglied 14 ein Negator geschaltet werden, um die gleiche Einrichtung zur Symmetrierung zu verwenden.
Infolge der hohen Zahlfrequenz (mehrere liliz) und der relativ grossen Anzugs- und Abfallzeit von Schaltschützen, werden diese während des Einzählens in den Vor-Rückwärtszähler 32 nicht ab-bzw. zugeschaltet. Die Zu- und Abschaltung erfolgt erst, wenn nach dem Zählvorgang die Hilfsrelais w1... w16 bzw. 39 der entsprechenden Wertigkeit eingeschaltet bleiben. Die Schalthäufigkeit wird dadurch stark herabgesetzt, da durch den neuen Speicherwert nur die Schaltschütze betätigt werden, die entsprechend dem Speicherwert und ihrer Wertigkeit nicht benötigt werden. In Fig. 2 ist das Impulsschema für die Entstehung der Impulsfolge pro- portional zum Phasenwinkel # aufgetragen, wonach mit B/C - H/I die geteilten Impulse der Span-
EMI4.1
RT nachImpulsumformer 15 bzw. 16 (Fig. l) ist.
Fig. 3 und 4 stellen das Impulsschema der Steuerung dar. Darin ist gemäss Fig. 3 der Impuls vom ausgang A des Frequenzuntersetzers 25 nach dem monostabilen Multivibrator 26 (Fig. l) und j der Impuls 20 msec vom Frequenzuntersetzer 25. Die Rechteckimpulse k vom Frequenzgenerator 17 werden über den Mess-Trigger 18 (Fig. l) und die Ausgangsimpulse 1 vom Koinzidenzglied 19 auf
EMI4.2
vibrator 37 (Fig. 1,) der Impuls m und der Impuls n der invertierte 20 msec-Abstand vom Frequenzuntersetzer 25 nach dem Negator 36 (Fig. 1,) o die Rechteckimpulse vom Frequenzgenera-
EMI4.3
den auf den Impulsumformer 15 bzw. 16 (Fig. 1) zur Symmetrierung gegeben. Während der Dauer des Impulses q vom Ausgang A'des Frequenzuntersetzers 25 nach dem monostabilen Multivibrator 27 (Fig. 1,) bleibt das Relais 28 Fig. 1 erregt.
Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung kann selbstverständlich auch zur Kompensation bzw. zur Symmetrierung allein verwendet werden. Dann entfallen die zur Umschaltung und die zusätzlich zum Messteil für die Symmetrierung bzw. zur Kompensation benötigten Bausteine nach Fig. 1. Das sind der monostabile Multivibrator 27, der Impedanzwandler 28, das Relais 29 mit seinen Umschaltkontakten 7,10 und 23, der Frequenzgenera- tor 17 bzw. 33 mit Mess-Trigger 18 bzw. 34, sowie die entsprechenden Stromwandler 8 bzw. 30 und die Transformatoren 5 ; 9, bzw. 31 ; 40 einer der Vor-Rückwärtszähler 20 bzw. 32 mit den zugehörigen Impedanzwandlern 21 bzw. 38, den Hilfsrelais w1...w16 bzw. 39 sowie den entsprechenden Schaltschützen. Bei Wegfall der Symmetrierung entfallen die Widerstände 41.
Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung kann auch für Induktionsöfen höherer Speisefrequenz als 50 Hz (Mittelfrequenz-Induktionsöfen) zur Kompensierung benutzt werden. Ist die Speisefrequenz so hoch, dass die dem Phasenwinkel cl proportionale Impulszahl, d. h. die Impulsfrequenz, die Grenzfrequenz der Bausteine überschreitet, so kann die gleiche Einrichtung verwendet werden. Es wird jedoch nicht mehr der dem Phasenwinkel proportionale Impuls in eine proportionale Anzahl Impulse umgeformt, sondern dieser Impuls wird mit einem monostabilen Multivibrator nach dem Koinzidenzglied 13 bzw. 14 auf eine
EMI4.4
Zählimpuls eine Kondensatoreinheit zur Kompensation zu-bzw. abgeschaltet werden kann und beim nächsten Zählimpuls schon wirksam ist.
Die Frequenzgeneratoren 17 ; 33 und die Mess-Trigger 18 ; 34 können entfallen, so dass nur die Kompensationsbausteine erforderlich sind. Die Anzeige des Phasenwinkels cp nach Betrag und Phase mit einem Drehspulinstrument kann erfolgen, wenn parallel zu den Impulsumformern 15undo6 und 16 je ein Impedanzwandler geschaltet wird, die von den Koinzidenzgliedern 13
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
pulse in ein analoges Signal umgeformt und auf das Messwerk gegeben. Diese Anzeige ist exakt, wenn mit der Regeleinrichtung nur die Kompensation oder die Symmetrierung durchgeführt wird, d. h. der Messwert ständig an einer Messeinrichtung anliegt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Digitale Kompensations- und Symmetrierungseinrichtung, bei der an einemphasenstrang eines Drehstromnetzes angeschlossene zweipolige komplexe Verbraucher vorhanden sind, deren Leistungsfaktor auf den cos zo = 1 kompensiert, wobei durch Blindwiderstände zwischen den andern Phasensträngen die
EMI5.2
cherspannung (URT) über einen Transformator (5) und Umschaltkontakte (7) einen Mess-Trigger (6) beaufschlagt, der mit einem Impulsteiler (12) und mit diesem gekoppelten Koinzidenzgliedern (13 ;
14) verbunden ist und dass der über einen Stromwandler (8), einen zweiten Transformator (9) und Umschaltkontakte (10) geführte und bei vollständiger Kompensation um 180 gegen die Verbraucherspannung verscho-
EMI5.3
AusgangsimpulseüberImpulsumformer (15 ; 16) in eine dem Phasenwinkel (9) proportionale Anzahl von Impulsen umgeformt werden.
EMI5.4
Mess-Trigger (11) und Koinzidenzglied (14) in zum Phasenwinkel (cp) proportionale Impulse umgewandelt wird.
4. EinrichtungnachdenAnsprüchenlbis3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpulse der Impulsumformer (15:16) auf Vor-Ruckwartszahler (20; 32) geschaltet sind, die in beliebiger Codierung über Impedanzwandler und Hilfsrelais (w,... w ; 39), Schaltschütze steuern.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dassImpulse hoher Frequenz eines Frequenzgenerators (17) über einen Mess-Trigger (18) und ein Koinzidenzglied (19) die Impulsumformer (15 ; 16) beaufschlagen und von einem Frequenzuntersetzer (25) und vom Ausgang (A) desselben über einen monostabilen Multivibrator (26) auf das Koinzidenzglied geschaltet sind.