DE613901C

DE613901C - Method for power control of single-phase electric heat systems on a three-phase network

Info

Publication number: DE613901C
Application number: DEF71206D
Authority: DE
Original assignee: WILHELM FISCHER DR ING
Current assignee: WILHELM FISCHER DR ING
Priority date: 1931-06-12
Filing date: 1931-06-12
Publication date: 1935-05-28

Description

Bor. Iac. cigendiBor. Iac. cigendi

13 JUN. 193513 JUN. 1935

Es liegt bei vielen Elektrowärmeanlagen in den physikalischen Voraussetzungen, daß sie nut Einphasenwechselstrom betrieben werden müssen. Dies ist z. B. bei Induktionsöfen und elektrischen Schweißmaschinen der Fall. Induktionsöfen mit geschissener Rinne und geschlossenem Eisenkern können-zwar mit mehreren Rinnen und mehreren getrennten Kernen für Mehrphasenanschluß gebaut werden.It is in many electrical heating systems in the physical conditions that they must only be operated with single-phase alternating current. This is e.g. B. induction ovens and electric welding machines the case. Induction ovens with a shitty gutter and a closed one Iron core can-although with several channels and several separate cores be built for multi-phase connection.

Dies erschwert aber besonders den an sich empfindlichen keramischen Aufbau gegenüber dem einphasigen Ofen mit einer Rinne. Bei kernlosen Induktionsöfen, deren Entwicklung bei großen Einheiten von den hohen Frequenzen zu den normalen Niederfrequenzen und unmittelbarem Netzanschluß geht, ist der Aufbau des gemeinsamen zylindrischen Feldes nur einphasig möglich. Der Ofen ist also nur einphasig anzuschließen. Ganz ähnlich liegen die Verhältnisse bei elektrischen Radreif enwärmern nach dem Induktionsprinzip. Dasselbe gilt für elektrische Schweißmaschinen, wo die Schweißstelle naturnotwendig eine einphasige Belastung darstellt. Ahnlich liegen die Verhälrnisse z. B. bei dem Lichtbogenrollofen. Die durch die Kreisform gegebene Bauart ist die mit zwei axial eingeführten Elektroden, d.h. mit einem Lichtbogen und einphasigem Anschluß.However, this makes the ceramic structure, which is sensitive per se, particularly difficult the single-phase furnace with a chute. In the case of coreless induction furnaces, their development for large units from the high frequencies to the normal low frequencies and direct connection to the mains, the structure of the common cylindrical field is only single-phase possible. The furnace can only be connected in one phase. They are very similar Conditions in electric wheel tire warmers based on the induction principle. The same thing applies to electric welding machines where the welding point is naturally a single-phase one Represents burden. The ratios z. B. with the electric arc furnace. The design given by the circular shape is the one with two axially inserted electrodes, i.e. with one arc and single-phase connection.

Dies sind einige Beispiele von Elektrowärmeerzeugern, bei welchen der konstruktive Aufbau oder physikalische Erwägungen zum einphasigen Anschluß zwingen. Die Beispiele können aus anderen Gebieten der Elektrowärme noch vermehrt werden. Bei der Ent- wicklung zu größerer Leistung stößt der einphasige Betrieb -solcher Geräte auf den ■Widerstand der Elektrizitätswerke. Einphasige Belastung ist in Drehstromnetzen immer unerwünscht wegen der unsymmetrie sehen Rückwirkung auf die Netzspannung, wegen der unsymmetrischen Belastung der Maschinen und Transformatoren sowie der dadurch hervorgerufenen zusätzlichen Verluste. Es ist eine ganze Reihe von Kunst-Schaltungen vorgeschlagen worden, um eine einphasige Belastung symmetrisch auf ein Drehstromsystem zu verteilen, welche aber die Aufgabe nur sehr unvollkommen erfüllen oder andere Nachteile aufweisen. So ist speziell für elektrische Öfen eine Schaltung vorgeschlagen worden, bei welcher der Verbraucher mit einem kapazitiven und einem induktiven Blindwiderstand in Dreieck geschaltet wird. Die drei Leitungen des Netzes können dadurch symmetrisch belastet werden. Der Verbraucher liegt aber an der festen Netzspannung; eine Regelung der Spannung am Verbraucher zur Beeinflussung der Leistungsentnahme ist dabei nicht möglich. Diese ist aber gerade bei Elektrowärmeanlagen für den Betrieb von entscheidender Bedeutung, da nurThese are some examples of electric heaters in which the constructive Construction or physical considerations dictate single-phase connection. The examples can be increased from other areas of electrical heating. When developing The single-phase operation of such devices comes up against the development of higher performance ■ Resistance of the electricity companies. Single-phase load is in three-phase networks always undesirable because of the asymmetry see repercussions on the mains voltage, because of the asymmetrical loading of the machines and transformers as well as the resulting additional losses. A fair number of art circuits have been suggested to make one to distribute single-phase load symmetrically to a three-phase system, but which perform the task only very imperfectly or have other disadvantages. So is Specifically for electric ovens a circuit has been proposed in which the consumer connected in delta with a capacitive and an inductive reactance will. The three lines of the network can thus be loaded symmetrically. Of the However, the consumer is due to the fixed mains voltage; a regulation of the voltage on It is not possible for consumers to influence the consumption of power. This is but especially with electrical heating systems for the operation of crucial importance, because only

dann die notwendigen Temperaturbedingun* gen .eingehalten werden können.then the necessary temperature conditions * gen. can be complied with.

Diese Regelmöglichkeit gibt erfindungsgemäß eine andere · Anordnung, bei welcher der Ofen, dessen Blindwiderstand ganz oder teilweise kompensiert sein kann, zur Symmetrierung mit einem induktiven und einem kapazitiven Blindverbraucher in Stern geschaltet ist, wobei zur Leistungsregelung einer oderAccording to the invention, this control possibility gives a different arrangement in which the furnace, whose reactance can be fully or partially compensated, for balancing is connected in star with an inductive and a capacitive reactive consumer, with one or

ίο mehrere der zugeschalteten Blindwiderstände verändert werden.ίο several of the connected reactances to be changed.

Abb. ι gibt das grundsätzliche Schaltbild für 'einen beliebigen Verbraucher vom Scheinwiderstand Z, dessen induktiver Blindwiderstand durch eine oder zwei Kapazitäten C₁ und C₂ ganz oder teilweise kompensiert wird.Fig. Ι gives the basic circuit diagram for 'any consumer of the impedance Z, whose inductive reactance is fully or partially compensated _{by one or two capacitors C 1} and C _2.

Es sei zunächst angenommen, daß in demIt is initially assumed that in the

Verbraoicherkreis ein reiner Wirkwiderstand liege, die Kondensatoren C₁ und C₂ also wegfallen. Die Bedingung an die Schaltung ist, daß die drei Phasenströme annähernd gleich groß werden und den gleichen Winkel mit ihrer zugehörigen Netzspannung einschließen.Consumption circuit is a pure resistance, the capacitors C ₁ and C ₂ are omitted. The condition for the circuit is that the three phase currents are approximately the same size and enclose the same angle with their associated mains voltage.

Wird der Verbraucher vom Wirkwiderstand Z = R mit einem induktiven Blindwiderstand Ki und einem kapazitiven Blindwiderstand Kc in Stern an das Drehstromnetz angeschlossen, so ergibt sich bei bestimmter Bemessung der Größen Ki und Kc das Vektordiagramm der Abb. 2. Der Sternpunkt fällt aus dem Netzsparnrungsdreieck a-b-c hinaus nach dem Punkt d. Die Spannung an der Nutzlast Z = R ist a-d; der Nutzstrom hat dieselbe Richtung. Die Sternspannung in dem mit dem Blindverbraucher K_t belasteten Zweig ist b-d; der zugehörigeStromeiltihrum9O° nach, hat also die Richtung b-d Die Sternspannung in dem mit dem Blindverbraucher Kc belasteten Zweig ist c-d; der zugehörige Strom eilt ihr um 90⁰ voraus, hat also die Richtung von c-s. Die drei Ströme sind also um je 120⁰ gegeneinander verschoben. Da sie in diesem Fall auch gleich groß sein müssen, so müssen sich die Widerstände wie die zugehörigen Spannungen verhalten. Die Spannung a-d ist j'^mal größer als die Spannungen b-d und c-d. Die Blindwiderstände Ki und Kc müssen also J^mal kleiner sein als der gegebene Belastungswiderstand Z = R. If the consumer on the effective resistance Z = R with an inductive reactance Ki and a capacitive reactance Kc connected in star to the three-phase system, the sizes Ki and Kc obtained when certain design the vector diagram of Fig. 2. The star point falls from the net savings approximate triangle abc beyond point d. The voltage on the payload Z = R is ad; the useful current has the same direction. The star voltage in the branch loaded with the dummy consumer K _t is bd; the associated current is 90 ° behind, thus has the direction bd. The star voltage in the branch loaded with the dummy load Kc is cd; the associated current leads it by 90 ⁰ , so it has the direction of cs. The three currents are therefore ^{each shifted by 120 0} relative to one another. Since in this case they must also be of the same size, the resistances must behave like the associated voltages. The voltage ad is j '^ times greater than the voltages bd and cd. The reactances Ki and Kc must therefore be J ^ times smaller than the given load resistance Z = R.

Es ist also auf diese Weise eine symmetrische Belastung des Netzes möglich. Verändert man nun einen der Blindwiderstände Ki oder Kc oder beide, so verschiebt sich dadurch der Sternpunkt rf, und die Spannung a-d am Verbraucher ändert ihre Größe. Dadurch nimmt der Verbraucher auch anderen Strom und andere Leistung auf. Man hat also durch die Veränderung von Ki oder Kc oder beider die Möglichkeit, die Leistung im Verbraucher •60 zu regeln.In this way, it is possible to load the network symmetrically. If one of the reactances Ki or Kc or both is changed, this shifts the star point rf and the voltage ad at the consumer changes its magnitude. As a result, the consumer also consumes other electricity and other power. By changing Ki or Kc or both, you have the option of regulating the power in the consumer • 60.

Es bleibt aber noch nachzuweisen, daß dadurch auch die anderen beiden Phasenströme sich so verschieben, daß die Symmetrie, wenn auch nicht mathematisch genau, so doch praktisch genügend erhalten bleibt.But it remains to be shown that this also causes the other two phase currents shift in such a way that the symmetry, if not mathematically accurate, at least practical sufficient is preserved.

Verändert man z. B. nur Kc, so läuft der Sternpunkt d auf einem Kreisbogen durch d und c. Das Kreisdiagramm ist in Abb. 3 dargestellt, a-b-c ist wieder das Netzspannungsdreieck. Die dünnen Linien sind die Spannungsvektoren, die starken die Stromvektoren. DaT>ei sind die Angriffspunkte der Stromvektoren alle in den Punkte des Diagrammsverschoben, um die gegenseitige Lage der Vektoren deutlich zu machen. Es ist also der Vektor a-d jeweils der Strom in der Phasen, der Vektor a-Jb der Strom in der Phase b und der Vektor a-J_c der Strom in der Phase c. Wird die Kapazität Kc vergrößert, so wandert der Punkt ^f₁ nach d₂, der Vektor/^₁ geht in den Vektor/&₂ über und der Vektor/_cl in den Vektor /_c2. Wird umgekehrt die Kapazität Kc verkleinert, so wandert der Punkt ^i₁ nach d_s, der Vektor /^₁ geht in den Vektor /43 über und der Vektor /_cl in den Vektor /_r3. Die Länge des Vektors a-d ist ein Maß für die Spannung am Verbraucher; die Leistung, welche der Verbraucher aufnimmt, ist dem Quadrat dieser Strecke proportional. ·If you change z. B. only Kc, the star point d runs on an arc through d and c. The circle diagram is shown in Fig. 3, abc is again the mains voltage triangle. The thin lines are the voltage vectors, the strong ones are the current vectors. SinceT> ei, the points of application of the current vectors are all shifted to the points in the diagram in order to make the mutual position of the vectors clear. The vector ad is the current in phase, vector a-Jb is the current in phase b and vector aJ _{c is} the current in phase c. If the capacitance Kc is increased, the point ^ f ₁ moves to d ₂ , the vector / ^ ₁ changes into the vector / & ₂ and the vector / _cl into the vector / _c2 . Conversely, if the capacitance Kc is reduced, the point ^ i ₁ moves to d _s , the vector / ^ ₁ changes into the vector / 43 and the vector / _cl into the vector / _r3 . The length of the vector ad is a measure of the voltage at the consumer; the power consumed by the consumer is proportional to the square of this distance. ·

Das Diagramm Abb. 3 zeigt, daß schon die Veränderung des einen Blindwiderstandes Kc eine merkliche Regelung der vom Verbraucher aufgenommenen Leistung ermöglicht, ohne daß die Unsymmetrie der Stromverteilung auf die drei Phasen für die Praxis unzulässig groß wird.The diagram in Fig. 3 shows that even the change in one reactance Kc enables a noticeable regulation of the power consumed by the consumer without the asymmetry of the current distribution over the three phases becoming unacceptably large in practice.

Ein ganz entsprechendes Diagramm erhält man, wenn nicht der kapazitive Blindwiderstand Kc, sondern der induktive Blindwiderstand^,· verändert wird. Eine weitere Regelmöglichkeit ergibt sich aus der gleichzeitigen Veränderung von Ki und Kc- A very similar diagram is obtained if not the capacitive reactance Kc, but the inductive reactance ^, · is changed. Another control option results from the simultaneous change of Ki and Kc-

Ist der Verbraucher kein rein Ohmscher, sondern ein komplexer Widerstand, so muß der Leistungsfaktor des den Verbraucher enthaltenden Zweiges a-d durch Reihen- oder-Parallelschaltung entsprechender kapazitiver bzw. induktiver Blindverbraucher ganz oder ■angenähert auf 1 gebracht werden, wie dies in Abb. 1 durch den Zusatz der KondensaterenC_x und C₂ angedeutet ist. Die Regelung der Leistungsaufnahme kann, statt wie vor- , her beschrieben durch Ki oder Kc, hier auch durch Veränderung von C₁ bzw. C₃ erzielt werden. Umgekehrt kann natürlich einer während des Betriebes eintretenden Änderung der Impedanz des Verbrauchers, welche eine Unsymmetrie des ursprünglich auf Symmetrie abgeglichenen Systems verursachen würde, entgegengewirkt werden durch entsprechende Abgleichung der eingeschalteten Blindwiderstände, so daß die Symmetrie doch immerIf the consumer is not a purely ohmic resistance, but a complex resistor, the power factor of the branch ad containing the consumer must be brought completely or approximately to 1 by connecting appropriate capacitive or inductive blind consumers in series or in parallel, as shown in Fig. 1 the addition of the condensates _{C x} and C _{2 is} indicated. Instead of using Ki or Kc as described above, the power consumption can also be regulated by changing C ₁ or C _3. Conversely, a change in the impedance of the consumer that occurs during operation, which would cause an imbalance in the system originally balanced for symmetry, can of course be counteracted by appropriate balancing of the switched-on reactances so that the symmetry is always

ausreichend erhalten bleibt. Dies ist besonders für den Betrieb von Induktionsöfen wichtig.is sufficiently preserved. This is especially useful for the operation of induction furnaces important.

Je nach den im Netz zugelassenen Unsymmetrien und dem" zugelassenen mittleren Leistungsfaktor kann unter Umständen einer der in die Sternzweige eingeschalteten Blindwiderstände kurzgeschlossen, d.h. Null werden. Depending on the asymmetries permitted in the network and the "approved average power factor can be a the reactances switched into the star branches are short-circuited, i.e. zero.

Die angegebenen Kapazitäten können selbstverständlich durch, irgendwelche andere kapazitiv wirkende Bündstromerzeuger ersetzt werden.The stated capacities can of course be due to any other capacitive Acting bundle power generators are replaced.

Claims

Claim:

Procedure for power control of single-phase electrical heating systems on a three-phase network, z. B. induction furnaces, welding machines and the like, characterized in that that the consumer, whose reactance is fully or partially compensated can, for balancing with an inductive and a capacitive dummy consumer is connected in star, and that one or "more of the connected Reactances can be changed.

1 sheet of drawings