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Verfahren zur Regelung eines Lichtbogenofens Zur Sicherstellung der
höchstmöglichen Wirtschaftlichkeit beim Betrieb von modernen Lichtbogenöfen, insbesondere
von Stahlschmelzöfen, ist es erforderlich, den eingebrachten Schrott unter Ausnützung
der maximal zulässigen Lichtbogendauerleistung in der kürzest möglichen Zeit niederzuschmelzen.
Daraus entspringt die Forderung an die Regeleinrichtung derartiger Öfen, die größtmögliche
Lichtbogenleistung während des Schmelzvorganges einzuregeln und konstant zu halten.
Die Regeleinrichtungen sind heute so ausgebildet, daß als Regelgröße das Verhältnis
der Spannung zwischen Elektrodenfas.sung und Bad zum Lichtbogenstrom verwendet wird.
Der Lichtbogenstrom wird dabei als Bürdenspannung eines ohmisch belasteten Stromes
dargestellt. Beide Meßspannungen werden gleichgerichtet und gegeneinander geschaltet.
Sie sind so bemessen, daß ihre Differenz beim Vorliegen der Solleistung Null ist.
Eine Abweichung von der Solleistung ergibt eine Steuerspannung, die den Regelbefehl
in irgendeiner an sich bekannten Art auslöst. Die Steuerspannung kann beispielsweise
über einen Magnetverstärker einen Drehstrommotor im Sinne einer Höhenverstellung
der Elektroden beeinflussen. Im wesentlichen verläuft der Regelvorgang bei der Anwendung
von Tauchspulreglern oder eines Amplidynegenerators auf gleiche Weise.
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Die Verwendung des Lichtbogenstromes als Regelgröße ergibt keine sehr
große Regelgenauigkeit, da die Lichtbogenleistung sich im Bereich des Sollwertes
der Regelgröße mit dem Lichtbogenstrom nur wenig ändert.
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Die mit den bekannten Regelanordnungen erzielte Regelgenauigkeit ist
noch aus einem anderen Grunde gering. Für die Einstellung des Lichtbogenofens auf
größtmögliche Lichtbogenleistung wird der Lichtbogen durch einen ohmschen Widerstand
ersetzt. Dadurch lassen sich der Strom und der Leistungsfaktor dieses Ersatz-Lichtbogenstromkreises
bestimmen, bei denen in dem Ersatzwiderstand für den Lichtbogen die größtmögliche
Leistung auftritt. Es hat sich herausgestellt, daß der Lichtbogenwiderstand nicht
durch einen ohmschen Widerstand ersetzt werden kann. Weiterhin ergibt die üblicherweise
auf der Hochspannungsseite des Ofentransformators vorgenommene Messung des Effektivwertes
des Stromes und der zugehörigen Phasenspannung nicht den tatsächlichen Leistungsfaktor.
Denn die Phasenspannung, die mit Hilfe von drei in Stern geschalteten Spannungswandlern
ermittelt wird, kann wegen der Bildung eines freien Sternpunktes im Bade nicht die
wahre Spannung des Lichtbogenstromkreises sein. Ferner besitzt der zeitliche Verlauf
der Lichtbogenspannung im Gegensatz zu den bisher getroffenen Annahmen keine Sinusform,
er nähert sich vielmehr weitgehend der Rechteckform. Schließlich tritt eine Fälschung
der Meßwerte auch noch dadurch ein, daß der Lichtbogen eine mehr oder weniger ausgeprägte
Gleichrichterwirkung hat. Deswegen sind die Mittelwerte der positiven und negativen
Halbwellen nicht mehr gleich groß. Um eine höchstmögliche Genauigkeit in der Einregelung
einer bestimmten Lichtbogenleistung zu erreichen, ist es erforderlich, eine Regelgröße
zu verwenden, die in einem zuverlässigen und ungestörten Zusammenhang mit der Lichtbogenleistung
steht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erlangung einer derartigen
Regelgröße anzugeben. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung
eines Lichtbogenafens auf maximale Leistung, insbesondere durch Verstellung der
Lichtbogenlänge und besteht darin, daß als Regelgröße das Verhältnis des Scheitelwertes
der (rechteckförmigen) Lichtbogenspannung zum Scheitelwert der (sinusförmigen) Spannung
des Lichtbogenstromkreises verwendet wird.
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In der Zeichnung ist eine vorzugsweise verwendete Schaltungsanordnung
wiedergegeben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine nur von der Lichtbogenwirkleistung
abhängige Regelgröße als Verhältnis des Scheitelwertes der rechteckförmigen Lichtbogenspannung
zum Scheitelwert der sinusförmigen Spannung des Lichtbogenstromkreises ermittelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Tatsache, daß der Verlauf
der Lichtbogenleistung bei einem bestimmten Wert des Verhältnisses dies Scheitelwertes
der rechteckförmigen Lichtbogenspannung zum Scheitelwert der sinusförmigen Spannung
des Lichtbogenkreises ein Maximum aufweist. Der
Zahlwert dieses
kritischen Verhältnisses zwischen den Scheitelwerten wird zwar durch eine Widerstandsänderung
der Zuleitung zwischen Lichtbogen und durch eine Änderung der Gleichrichterwirkung
im Lichtbogen beeinflußt, jedoch ist dieser Einfluß relativ gering und kann vernachlässigt
werden. Einen ähnlichen Verlauf zeigt auch die Lichtbogenleistung in Abhängigkeit
vom Verhältnis der arithmetischen Mittelwerte der Lichtbogenspannung zur Spannung
des Lichtbogenstromkreises. Die Abweichungen der arithmetischen Mittelwerte gegenüber
den Scheitelwerten sind wegen der geringen Änderungen des Formfaktors unbedeutend
und können praktisch vernachlässigt werden. Dagegen hat der arithmetische Mittelwert
den Vorteil, daß er mit geringerem technischem Aufwand ermittelt werden kann als
der Scheitelwert. Es ist ermittelt worden, daß der optimale Wert des Verhältnisses
der Scheitelwerte bzw. der Mittelwerte, der dem Leistungsmaximum zugeordnet ist,
etwa bei 0,43 bzw. 0,63 liegt.
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Sowohl die Lichtbogenspannung als auch die Spannung des Lichtbogenstromkreises
ist einer unmittelbaren Messung nicht zugänglich. Aus technischen Gründen kann die
Spannung des Lichtbogens nur zwischen der Elektrodenfassung 4 und dem Bad 5 bzw.
dem Erdpotential 6 gemessen werden. Diese Spannung setzt sich aus der eigentlichen
Bogenspannung 7 und einem Spannungsabfall in den Elektroden zusammen, dessen zugehöriger
Widerstand durch eine Ersatzschaltung aus einem ohmschen Widerstand 3 und einer
Induktivität 2 dargestellt werden kann.
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Das gleiche gilt auch für den inneren Spannungsabfall des Ofentransformators,
bei dem nur die Klemmspannung am Punkt 1 der Messung urmittelbar zugänglich ist.
Der Innenwiderstand des Ofentransformators kann durch eine aus dem Widerstand 8
und der Drossel 9 bestehenden Ersatzschaltung dargestellt werden.
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Gemäß der Erfindung wird die wahre Lichtbogenspannurig dadurch gewonnen,
daß der meßbaren Spannung in der Elektrodenfassung 4 eine Spannung entgegengeschaltet
wird, die dem Spannungsabfall in den Elektroden :entspricht. Zu diesem Zweck ist
ein Stromwandler 11 in einer Phase der Drehstromzuleitung geschaltet, dessen Bürde
durch die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 12 und einer Drossel 13 gebildet
wird. Der Scheinwiderstand dieser Reihenschaltung entspricht genau dem Scheinwiderstand
der Elektrodenwiderstände 2 und 3. Die Bürdenspannung :ist demnach ein genaues Abbild
des inneren Spannungsabfalles der Elektroden. Diese Spannungsnachbildung wird der
zwischen der Elektrodenfassung 4 und dem Erdpotential 6 mittels eines Widerstandes
14 abgegriffenen Spannung entgegengeschaltet. Die Differenzspannung entspricht somit
der wahren Lichtbogenspannung. Um die Einflüsse der Streufelder auf den Meßkreis
der abgegriffenen Spannung zu kompensieren, wird in den Nachbildungskreis für die
Lichtbogenspannung zusätzlich eine Korrekturspannung einsgefügt, die durch eine
im Streufeld angeordnete Meßspule 15 erzeugt wird. Die Größe dieser Korrekturspannung
kann mittels des Spannungsteilers 16 so eingestellt werden, daß sie der Streufeldspannungentspricht.
Die so gewonnene, der reinen Lichtbogenspannung entsprechende Meßspannung wird mit
Hilfe des Brückengleichrichters 17 gleichgerichtet und einem Widerstand
18 zugeführt. Ein analoges Verfahren wird gemäß der Erfindung auch zur Ermittlung
der sinusförmigen Spannung 10
für den Lichtbog enstromkreis angewendet. Der
Stromwandler 19 ist durch eine aus der Reihenschaltung eines Widerstandes 20 und
einer Drossel 21 be-
stehenden Bürde belastet. Der Scheinwiderstand dieser
Reihenschaltung entspricht wiederum genau dem Scheinwiderstand des Ofentransformators,
also den Widerständen 8 und 9. Die Bürdenspannung wird der am Widerstand 22 auftretenden
Klemmenspannung des Ofentransformators entgegengeschaltet. Die so erhaltene Differenz
entspricht der sinusförmigen Spannung des Lichtbogenstromkreises. Auch hier wird
zur Kompensation des Streufeldeinflusses in den Nachbildungskreis eine Zusatzspannung
eingefügt, die in der im Streufeld angeordneten Meßspule 23 erzeugt wird. Die Größe
dieser Zusatzspannung kann mittels des Spannungsteilers 24 eingestellt werden. Die
so gewonnene sinusförmige Spannung wird. einem Transformator 25 zugeführt, der zwecks
Erzielung einer galvanischen Trennung - erforderlich ist. Die Sekundärspannung wird
mittels der Gleichrichterbrücke 26 gleichgerichtet und mit dem Widerstand 27 belastet.
Die Spannungsabfälle an den Ausgangswiderständen 18 und 27 sind gemäß der Erfindung
geegeneinandergeschaltet. Die Differenzspannung ist an den Klemmen 28 abnehmbar
und dient als Regelgröße zur Verstellung der Lichtbogenelektrode.
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Der Ausgangswiderstand 27 ist als Spannungsteiler ausgebildet, so
daß die beiden gleichgerichteten und gegeneinandergerichteten Werte der Lichtbogenspannung
und der Spannung des Lichtbogenkreises so eingestellt werden können, daß ihre Differenz
beim Vorliegen der maximalen Lichtbogenleistung, d. h. also bei einem Verhältnis
der Scheitelwerte bzw. der Mittelwerte von etwa 0,43 bzw. 0,63 »Null« ist. Eine
Störung dieses optimalen Verhältnisses, d. h. eine Abweichung der Lichtbogenleistung
von ihrem optimalen Wert, hat das Auftreten einer Differenzspannung 28 zur Folge,
die .als Stellgröße eine Elektrodenverstellung verursacht. Bei Verwendung dieser
Regelgröße tritt unabhängig von einem Gleichrichtereffekt und einer Widerstandsänderung
in der Zuleitung im Lichtbogen die größtmögliche Lichtbogenleistung auf.