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Regler für die Bogenlänge eines elektrischen Schmelzofens mit Abschmelzelektrode
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Länge des Lichtbogens zwischen
einer absenkbaren Abschmelzelektrode und der daraus gebildeten Metallschmelze.
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Um Gußblöcke guter Qualität mittels des Abschmelzverfahrens herzustellen,
muß die Länge des Lichtbogens, worin der Schmelzvorgang stattfindet, geregelt werden.
Es besteht eine optimale Bogenlänge, die jeweils von der Art des erschmolzenen Materials,
den Elektrodenabmessungen, der Schmelzleistung und anderen Faktoren abhängt. Wäre
die Abschmelzelektrode fest angebracht, so würde die Bogenlänge mit dem Abschmelzen
ihres unteren Endes ständig zunehmen. Deshalb muß die Elektrode allmählich abgesenkt
werden. Wird sie aber zu schnell gesenkt, so verkürzt sich der Lichtbogen, und es
kann sogar ein vollständiger Kurzschluß eintreten, wenn die Elektrode in die Schmelze
eintaucht.
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Zum Regeln der Bogenlänge bei Abschmelzöfen sind verschiedene Regelverfahren
gebräuchlich. Am meisten wird ein Spannungsregler verwendet, dessen Hauptvorteil
die leichte Gewinnung der Rückführungsgröße ist. Demgegenüber bestehen aber viele
Nachteile. Der Hauptnachteil liegt darin, daß Spannungsschwankungen ohne entsprechende
Schwankungen der Bogenlänge vorkommen, so daß die Elektrodenantriebsvorrichtung
unnötig betätigt wird. Außerdem ändert sich der Spannungsgradient im Lichtbogen
mit dem erschmolzenen Material, den Elektrodenabmessungen, der Schmelzleistung usw.,
so daß eine bestimmte Spannungsänderung in verschiedenen Fällen ganz verschiedenen
Längenänderungen des Bogens zugeordnet werden muß.
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Nach einem anderen Regelverfahren wird die Elektrode etwas schneller
abgesenkt, als es dem Unterschied zwischen dem Elektrodenabbrand und der Schmelzenbildung
entspricht. Wenn die Elektrode so weit abgesenkt ist, daß sie mit der Schmelze einen
Kurzschluß macht, so wird sie um eine bestimmte Strecke angehoben und beginnt dann
wieder ihren Weg in Abwärtsrichtung. Die Elektrode bewegt sich also hierbei ständig,
erst abwärts und dann aufwärts, und die Bogenlänge ändert sich dauernd. Das kann
zu einer Instabilität des Lichtbogens führen, die Gußblöcke schlecher Qualität bedingt.
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Ein weiteres Regelverfahren beruht auf der Zählung der Tropfkurzschlüsse,
wobei vorausgesetzt wird, daß das Hauptziel die Verhinderung einer zu großen Bogenlänge
ist. Etwa zwei Tropfkurzschlüsse in der Minute werden als normal angesehen. Sie
entstehen, wenn geschmolzene Metalltropfen, die an der Elektrode hängen, den Entladungsraum
überbrücken oder wenn Spritzer aus der Schmelze eine Kurzschlußbrücke mit den von
der Elektrode herabfallenden Tropfen bilden. Diese Tropfkurzschlüsse sind kräftig
genug, um auf einem Anzeigeinstrument beobachtet zu werden oder ein elektromechanisches
Relais zu betätigen. Ein nähere Untersuchung zeigt aber, daß andere zahlreichere
Spannungseinbrüche stattfinden, die bei dieser Regelungsart nicht beachtet werden.
Auch werden bei der Zählung der Kurzschlüsse die Ausdehnung des jeweiligen Kurzschlusses,
die Kombination von Kurzschlüssen oder anderen Spannungseinbrüchen, das Ausmaß der
Spannungsänderung und die Dauer derselben nicht in Betracht gezogen.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bogenlängenreglers, der
die Länge des Lichtbogens genauer als bisher und unabhängig von den schwankenden
Schmelzbedingungen regelt, die Anzahl, das Ausmaß und die Länge der Abweichungen
von der normalen Brennspannung berücksichtigt, die Elektrode nur dann absenkt oder
anhebt, wenn die Bogenlänge sich zu ändern beginnt, und normalerweise die Elektrode
nur in Abwärtsrichtung antreibt.
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Der erfindungsgemäße Bogenlängenregler, der auf den Antrieb einer
Abschmelzelektrode der genannten Art unter Benutzung der Tröpfchenkurzschlüsse im
Lichtbogen einwirkt, ist gekennzeichnet durch eine Bezugswicklung, eine Regelwicklung,
einen Differentialverstärker, der die Absenkvorrichtung immer dann
betätigt,
wenn der von der Regelwicklung hervorgerufene Magnetfluß den Magnetfluß der Bezugswicklung
übersteigt, ferner einen Bezugskondensator und einen Regelkondensator, die jeweils
über die zugehörige Wicklung entladen werden können, einen Gleichrichter zum Entladen
des Regelkondensators über den Lichtbogen. in einer Richtung, eine an das Netz angeschlossene
Ladevorrichtung zum periodischen Aufladen beider Kondensatoren auf die Bogenspannung
und einen Vorwiderstand für die Regelspule, so daß der größte Teil des Entladestromes
aus dem Regelkondensator über den Lichtbogen verläuft, solange die Bogenlänge und
damit der Bogenwiderstand nicht eine bestimmte Größe überschreitet.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung, die ein Schaltbild
der erfindungsgemäßen Regelanlage darstellt, erläutert.
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Eine Abschmelzelektrode 1 befindet sich in einem Lichtbogenofen 2
über einer Schmelze 3 am Boden des Ofens, wo er eine Gußform 4 bildet. Die
Abschmelzelektrode und die Schmelze sind über Gleichstromadern 6 und 7 mit einem
Gleichrichter 8 verbunden, der über zwei Adern 9 mit Wechselstrom gespeist wird.
Die zugeführte Leistung reicht aus, um einen elektrischen Lichtbogen zwischen dem
unteren Ende der Elektrode und dem Spiegel der Schmelze zu unterhalten.
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Die Elektrode ist im Ofen mittels einer Vorrichtung aufgehängt, die
das Absenken und Anheben erlaubt. Als solche kann z. B. ein Seil 10 dienen, das
auf eine Trommel 11 aufgewickelt ist. Die Trommel 11
wird von einem
umsteuerbaren Motor 12 über ein nicht dargestelltes Vorgelege angetrieben. Der Motor
12 wird in der bekannten Ward-Leonard-Schaltung von einer Gleichstrommaschine 13
gespeist, deren Feldwicklung 14 mit einer Erregermaschine 15 verbunden
ist, die mehrere Feldwicklungen und einen Anker 16 aufweist. Je nach der resultierenden
Feldrichtung in der Erregermaschine 15 wird der Antriebsmotor 12 in der einen
oder anderen Richtung laufen.
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Zum Absenken der Abschmelzelektrode 1 ist die Erregermaschine 15 mit
einer Absenkspule 18 versehen, die elektrisch mit einem in bekannter Weise als bistabiler
magnetischer Verstärker ausgebildeten Differentialverstärker 19 verbunden ist. Dieser
enthält eine Bezugswicklung 20 und eine Regelwicklung 21. Solange der von
der Regelwicklung erzeugte magnetische Fluß gleich oder kleiner als der magnetische
Fluß der Bezugswicklung ist, sperrt der bistabile Verstärker die Verbindung zwischen
der Absenkspule 18 und dem Wechselstromnetz über die Adern 22. Übersteigt dagegen
der Magnetfluß der Regelspule denjenigen der Bezugsspule, so verbindet der Verstärker
19 die Adern 22 mit der Absenkspule 18, so daß diese die Feldwicklung
14 in der Richtung erregt, die zum Absenken der Abschmelzelektrode durch den Antriebsmotor
12 führt.
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Erfindungsgemäß ist die Anordnung so getroffen, daß der von der Regelspule
21 hervorgerufene Magnetfluß unmittelbar mit der Länge des Lichtbogens derart
verknüpft ist, daß bei richtiger oder zu geringer Länge der Magnetfluß der Regelspule
gleich oder kleiner als der Fluß der Bezugsspule ist. Wenn dagegen die Bogenlänge
über den optimalen Wert anwächst, erzeugt die Regelspule einen stärkeren Magnetfluß
als die Bezugsspule, und die Absenkvorrichtung tritt in der beschriebenen Weise
in Tätigkeit. Der Strom, der die Magnetflüsse der Bezugsspule und der Regelspule
hervorruft, wird durch die Entladung zweier Kondensatoren erzeugt, nämlich eines
Regelkondensators 24, der über Adern 25 und 26 mit der Regelwicklung 21 verbunden
ist, und eines Bezugskondensators 27, der über Adern 28 und
29 mit der Bezugswicklung 20 verbunden ist. In Reihe mit diesen Spulen
kann jeweils noch eine andere Spule liegen (s. später). Jeder Entladekreis ist über
eine Ader 31, die mit den Adern 26 und 29 verbunden ist, an die Betriebsspannungsader
6 angeschlossen. Die andere Belegung jedes Kondensators ist mit der anderen Betriebsspannungsader
7 verbunden. Dies geschieht mittels einer Ader 32, die Ader 25 über den Arbeitskontakt
eines Relais 33 mit der Ader 7 verbindet, bzw. mittels einer Ader 34, die von der
Ader 28 zur Ader 32 führt. In die Adern 32 und 34 sind Dioden 36 eingeschaltet,
die den Stromfluß mur in Richtung von der Gleichspannungsader 7 zu' den Kondensatoren
ermöglichen. Der Regelkreis ist ferner mit der Ader 7 über eine weitere Ader 37
verbunden, in deren Zug sich ein veränderbarer Widerstand 38 und eine Diode 39 befinden.
Letztere gestattet nur einen Stromfluß in Richtung zur Betriebsader 7. Zwischen
der Ader 37 und der Regelwicklung 21 befindet sich im Zug der Ader 25 ein veränderbarer
hoher Vorwiderstand 40. Wenn sich also der Regelkondensator nach der Aufladung entlädt,
zwingt der Vorwiderstand 40 den größten Teil des Sromes, über Ader 37 in die Betriebsader
7 abzufließen, während nur ein sehr kleiner Anteil des Stromes durch die Regelspule
fließt. Der Bezugskondensator kann sich andererseits nur über die Bezugswicklung
20 entladen, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die durch einen veränderbaren Vorwiderstand
41 in der Ader 28 bestimmt wird.
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Um die beiden Kondensatoren aufzuladen, wird Relais 33 kurzzeitig
geschlossen. Damit beide Kondensatoren die gleiche Ladung erhalten und so der Entladekreis
abgeglichen ist, kann der Arbeitskontakt 43 eines Zeitgebers 44 die
Adern 25 und 28 der beiden Kondensatorkreise an der Stelle zwischen
den Kondensatoren und den Widerständen 40 bzw. 41 verbinden. Wird Kontakt 43 kurzzeitig
geschlossen, nachdem Relais 33 geöffnet hat, so gleichen sich die Ladungen der beiden
Kondensatoren aus.
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Die Kontakte 33 und 43 werden in noch zu beschreibender Weise geschlossen
und geöffnet. Ist Relais 33 angezogen, so werden die beiden Kondensatoren sofort
über die Adern 6 und 7 auf die Brennspannung des Bogens aufgeladen. Unmittelbar
nach dem Abfallen des Relais 33 und der Öffnung des Kontaktes 43 entlädt sich der
Bezugskondensator 27 über die Bezugswicklung 20 und erzeugt hierbei einen bestimmten
Magnetfluß. Gleichzeitig entlädt sich der Regelkondensator 24. Sein Entladestrom
verzweigt sich einerseits über die Wicklung 21 und andererseits über den Lichtbogen,
und wegen des hohen Vorwiderstandes 40 fließt der größte Teil des Stromes über die
Ader 37 und den Lichtbogen, wobei die Entladungsgeschwindigkeit im wesentlichen
durch die Einstellung des Widerstandes 38 gegeben ist. Der Kondensator kann sich
deshalb über den Lichtbogen entladen, weil ständig kleine Kurzschlüsse durch von
der Elektrode fallende Metalltropfen verursacht werden; obwohl im allgemeinen keine
meßbare Verringerung der Bogenspannung unter den Wert der Kondensatorspannung eintritt.
Diese Kurzschlüsse
schwanken in Anzahl, Ausdehnung und Dauer. Obwohl
sie gewöhnlich die Bogenspannung nicht meßbar verringern, veursachen sie doch kurze
Spannungseinbrüche, die ausreichen, um dem Regelkondensator eine Entladung über
den Lichtbogen zu ermöglichen.
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Solange der Lichtbogen die gewünschte Länge hat, entlädt sich so viel
Strom aus dem Regelkondensator über ihn, und so wenig Strom fließt durch die Regelwicklung,
daß der Magnetfluß der letzteren denjenigen der Bezugswicklung nicht übersteigt
und somit der Antrieb der Abschmelzelektrode gesperrt bleibt. Wenn aber die Bogenlänge
zunimmt, so verringert sich die Anzahl, Ausdehnung und Dauer der Bogenkurzschlüsse,
so daß der Regelkondensator sich nicht mehr so schnell über den Lichtbogen entlädt
wie vorher. Infolgedessen fließt dann mehr Strom über die Regelwicklung. Da diese
Wicklung weit mehr Windungen als die Bezugswicklung aufweist (z. B. in einem Verhältnis
von 40 : 1), so ist nur eine geringe Zunahme der Stromstärke in der Regelwicklung
erforderlich, um mehr Magnetfluß als in der Bezugswicklung zu erzeugen. Sobald diese
Bedingung eintritt, wird die Absenkvorrichtung in Betrieb gesetzt und die Elektrode
so weit verschoben, daß sie die Bogenlänge auf den Normalwert verkürzt. Die Kondensatoren
werden alle paar Sekunden aufgeladen und entladen, so daß die Bogenlänge unter dauernder
Beobachtung steht.
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Das Laderelais 33 wird von einem Zeitgeber 50
betätigt,
der seinen Kontakt 51 alle paar Sekunden, z. B. alle 10 Sekunden, schließt.
Über den Kontakt 51
wird eine Wechselspannung führende Ader 52 mit dem Relais
33 verbunden, das unmittelbar mit `der Rückleitung 53 des Wechselstromnetzes verbunden
ist. Eine Klemme des Zeitgebers ist an die Ader 53 angeschlossen, während die andere
Klemme über einen Ruhekontakt 54 eines weiteren Zeitgebers 55
und einen
Ruhekontakt 56 eines Zeitgebers 57 mit der Ader 52 verbunden ist. Schließt sich
der Kontakt 51, so wird auch Zeitgeber 44 erregt, der seinen Kontakt 43 schließt
und ihn während des Bruchteils einer Sekunde nach Öffnung des Relais 33 geschlossen
hält. Der Zeitgeber 50 schließt ferner einen weiteren Kontakt 58, der den Zeitgeber
55 einschaltet, so daß Kontakt 54 sich öffnet und den Zeitgeber 50 für einige Sekunden
stillsetzt. Hierbei öffnet sich Kontakt 58 im Speisestromkreis für den Zeitgeber
55, weshalb sich Kontakt 54 wieder schließt. Durch dieses Wechselspiel wird der
Zeitgeber 50 periodisch betätigt, solange die Bogenlänge konstant bleibt.
Beginnt aber der Lichtbogen zu wachsen, so wird die Abwärtserregerwicklung 18 in
der oben beschriebenen Weise erregt und schließt ein Relais 59, das den Zeitgeber
57 einschaltet. Dieser Zeitgeber öffnet einen Kontakt 56, um Zeitgeber 50 stillzusetzen,
und schließt Kontakt 60, der seinerseits den Stromkreis zum Relais 33 schließt und
Zeitgeber 44 einschaltet, so daß Kontakt 43 geschlossen wird und die beiden Kondensatoren
aufgeladen und in der Ladung ausgeglichen werden. Sobald dies eintritt, werden die
Magnetflüsse der Wicklungen 20 und 21 wieder gleich groß, und die Absenkung hört
auf.
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Falls der Lichtbogen so kurz wird, daß ein Dauerkurzschluß im Ofen
entsteht, wird die Elektrode angehoben. Dies geschieht mit Hilfe einer Anhebewicklung
65 in der Erregermaschine 15, die mit einem bistabilen magnetischen Verstärker 66
verbunden ist, der von den Wechselstromadern 22 erregt wird. Dieser Verstärker
enthält eine Wicklung 67, die parallel zum Lichtbogen mit beiden Betriebsspannungsadern
desselben verbunden ist. Solange die Bogenlänge normal bleibt, erhält die Wicklung
67 genügend Strom, um die Speisung der Wicklung 65 gesperrt zu halten. Unterschreitet
jedoch die Stromstärke in der Wicklung 67 wegen einer zu großen Verkürzung der Bogenlänge
einen bestimmten Wert, so wird die Erregerwicklung 65 mit Wechselstrom gespeist,
und die Gleichstrommaschine 13 und der Antriebsmotor 12 werden umgesteuert, um die
Elektrode anzuheben, bis der Kurzschluß aufgehoben ist. Infolgedessen wird die Stromstärke
in der Wicklung 67 wieder größer, und die Speisung der Hubwicklung wird gesperrt.
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Bei bestimmten Antriebsarten der Elektrode kann es vorkommen, daß
die Eelektrode unter ihrem Eigengewicht weiter absinkt, nachdem der Antrieb in Abwärtsrichtung
aufgehört hat. Eine solche unerwünschte Abwärtsbewegung kann dadurch ausgeschaltet
werden, daß die Erregermaschine 15 mit einer Feldwicklung 70 ausgestattet
ist, die der Gleichstrommaschine 13 ständig eine geringe Spannung in Aufwärtsrichtung
zuführt, so daß nach dem Ausschalten der Senkwicklung 18 der Motor 12 eine geringe
Hubkraft ausübt, welche die Elektrode stationär hält.
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Unter gewissen Schmelzbedingungen, z. B. wenn die Elektrode nicht
gleichmäßig genug abbrennt, kann der Lichtbogen die Tendenz zeigen, für längere
Zeit zu kurz zu werden. Um dieser Erscheinung Herr zu werden, kann ein weiterer
bistabiler magnetischer Verstärker 75 vorgesehen sein, der die Elektrode ganz langsam
anhebt, wenn dies gewünscht wird. Dieser Hebebetrieb setzt unter nicht so strengen
Bedingungen als die Hebung bei einem Kurzschluß ein. Der Verstärker 75 enthält zwei
weitere Wicklungen 76 und 77, die je in Reihe mit einer der Wicklungen im Verstärker
19 geschaltet sind, deren Polaritäten aber gegen diese Wicklungen vertauscht sind.
Der Verstärker 75 wird über die Adern 78 mit Wechselstrom gespeist.
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Der Verstärker 75 ist so eingestellt, daß er unter normalen Betriebsbedingungen
keine Wirkung zeigt. Falls aber der Lichtbogen zu kurz werden sollte, verringert
sich der von der Wicklung 76 erzeugte Magnetfluß so stark im Verhältnis zum Magnetfluß
der Wicklung 77, daß die Adern 78 mit einer Hebewicklung 79 in der Erregermaschine
15 verbunden werden, so daß der Antriebsmotor 12 die Elektrode 1 langsam anhebt.
Der Erregerstrom für die Wicklung 79 schließt auch ein Relais 80, das den
Zeitgeber 57 einschaltet. Dies führt zu dem gleichen Ergebnis wie die Schließung
des Relais 59, abgesehen davon, daß im vorliegenden Falle die Hebung durch die Wiederaufladung
der Kondensatoren 24 und 27 beendet wird.