CN104813739A - 用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉(10)的装置和方法。在电弧炉(10)的每个线路(7)中设有用于测量当前电压的传感器(16)和用于测量当前流过的电流的传感器(15)。利用控制和调节单元(30)与时间相关地计算实际阻抗(Z_ist)。作为半导体分接开关构成的有载分接开关(20)配置给具有初级侧(6P)和次级侧(6S)的炉变压器(6)。半导体分接开关(20)实现几毫秒的周期时间。

Description

用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉的装置。特别是为此该装置设置三个分别包括一个电极和一个配设的用于供应能量的外导线的线路。在每个线路中设有用于测量当前的电压的传感器和用于测量当前流过的电流的传感器。利用控制和调节单元对于每个线路计算与时间相关的实际电气参数。此外设置包括初级侧和次级侧的至少一个炉变压器。有载分接开关切换初级侧的绕组抽头并且三个电极与所述至少一个炉变压器的次级侧电连接。

此外，本发明涉及一种用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉的方法。

背景技术

德国专利文献DE 35 12 189 C1公开了用于调节电弧炉的方法和装置。在此可运行精确地、经济地且在技术上可没有很大耗费地调整电弧电压和电极高度位置。变压器电压的调整环节总是由电流调节电路操控，在功率调节的情况下功率调节电路与所述电流调节电路叠加。叠加于电流调节器的功率调节器这时提供用于电流调节器的参考参数。在所有情况中仅电弧炉的电压调节器直接作用于电极调节。因此对于变压器的所使用的分接开关驱动装置得出如下方案，即：直接通过规定理论值供应变压器电压或通过分接开关借助所述电流调节器调整变压器电压，其中必要时功率调节器叠加于所述电流调节器。升降驱动装置通过电压调节器操纵，其中相关的控制电压由电流调节器或磨损调节器或直接作为预设的理论参数提供。

欧洲专利申请EP 2 362 710 A1公开了一种电弧炉和一种用于运行电弧炉的方法。配设给至少一个电极的电弧具有基于受调整的第一运行参数组产生的第一辐射功率。电弧炉按照预设的运行程序运行，该运行程序以预期的过程变化为基础。监控在实际的过程变化与预期的过程变化之间是否存在不希望的偏差。在存在偏差时，预设变化的第二辐射功率。借助变化的第二辐射功率确定变化的第二运行参数组。该方法允许在保护运行设备、尤其是电弧炉冷却装置时实现尽可能小的熔化持续时间。

德国公开文献DE 35 43 773 A1说明一种用于运行电弧炉的方法，从而在原材料强烈波动时可以以最小值的相关电能量消耗熔化材料。炉变压器设有负荷开关并且因此可调整在变压器的次级侧上的输出电压。控制通过改变炉变压器的抽头或通过借助电弧炉的电极升降装置升起和降低电弧电极进行，以便改变电弧长度。同时测量从炉变压器的次级侧流至电弧极的电流的强度。如果电弧炉以用这种方式控制的电流运行，则在熔化过程中的电能消耗降低并且相关的电能消耗可以保持最小。

德国专利申请DE 10 2009 017 196 A1公开了一种分接开关，所述分接开关包括用于在固定的分接开关触点之间进行无中断地转换的半导体开关元件，所述分接开关触点与可调式变压器的绕组抽头电连接。在此每个所述固定的分接开关触点可直接地或在转换期间通过中间连接的半导体开关元件与负载导出线连接。负载导出线具有固定的、分开的导出接触件，借此半导体开关元件在静态运行中与变压器绕组电分离。然而对于包括半导体开关元件的分接开关产生不同的缺点。由于持久存在的运行电压和因雷电冲击电压引起的电力电子负荷，需要高的绝缘距离，这是不希望的。

如由现有技术已知的，用于控制或调节电弧炉运行的电气元件是炉变压器、扼流线圈和电极支承臂系统。用于三相电弧炉的能量提供通过包括集成的分接开关的炉变压器进行。通过变压器级可以调整对应的能量输入。

连接于变压器上游的可在负载下切换的扼流线圈用于调节电路的电抗并且能够由此实现具有稳定电弧的炉运行以及限制短路电流。根据过程步骤，不仅在变压器中而且在串联扼流圈中选择合适的级。这可以通过炉操作者的手动干涉或通过集成的控制装置或调节装置进行。

在手动控制时，有经验的炉操作者可以借助炉箱和其内容物的颜色确定当前的能量输入。这样可以主观观察出炉状态和熔化过程。在关键情况中(例如防火部损坏)使变压器级适配。

在自动控制时，根据当前的能量输入使变压器级适配且必要时使扼流圈级适配。原则上在初始阶段“钻孔阶段”中需要高的电感，以便尽可能稳定地保持电弧(OLTC扼流圈＝＝最高的级)。在最后的阶段“液池”中断开串联扼流圈，以便减少无功功率。

在钻孔阶段中选择较低的电压级(短电弧)，以便保护炉的防火衬里(防火部)以及保护炉盖。在电弧由起泡沫的矿渣包裹之后，选择最高的电压级，以便达到输入到熔体中的最大能量输入。在最后的阶段中选择稍微较低的分级电压，为此调整出最高的电流，以便确保高的能量输入。

以上提到的规定尤其是在手动和自动控制时仅非常不充分地模拟实际的过程状态。最新的调节装置也同样不能对系统中的快速变化以适合的时间常数(例如毫秒范围)进行反应。

关于炉变压器中的分接开关和扼流线圈，高的切换频率分别按照顾客的各种不同切换策略作为技术应激因子来看待。这首先归因于在分接开关中的机械构件的触点烧损以及损耗。

因为对分接开关的维修工作通常意味着高的花费以及特别是昂贵的生产中断，所以对于运营者完全值得期望的是，延长维修间隔期，以便尽可能减少分接开关的维修费用。

发明内容

本发明的任务是，提供一种用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉的装置，其能够实现快速的电压适配，以便避免过电流情况。

该任务通过一种具有权利要求1的特征的用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉的装置解决。

本发明的另一个任务是，提供一种用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉的方法，其能够实现快速的电压适配，以便避免过电流情况。

该任务通过一种具有权利要求3的特征的用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉的方法解决。

按照本发明的用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉的装置的特征在于，有载分接开关是能够实现几毫秒的周期时间的半导体分接开关。正是在熔化过程的初始阶段由于废料堆围绕电极的倒塌而发生短路，该短路引起高的过电流。由于用电能对电极持续适配地供电避免所述过电流或将所述过电流减少到一定程度，从而不会引起电弧炉或防火部的损坏。

按照一种实施形式，控制和调节单元具有调节算法，利用所述调节算法可计算半导体分接开关的理论位置。半导体分接开关的理论位置允许调整电流界限值，其中，所述理论位置可根据每个线路的传感器的测量参数和相应引起的实际电气参数计算相应的电流界限值。然后利用所述半导体分接开关可以切换到对应于理论绕组抽头的理论位置上。

按照本发明的方法的特征在于：

●对于炉变压器的次级侧的三个线路中的每个线路实施电流测量和线路电压测量；

●从在控制和调节单元中预设的运行参数出发利用调节算法计算合适的理论外导体电压和炉变压器的初级侧的对应配设的理论绕组抽头，借此维持电流上限；并且

●对于电弧炉的所有线路利用半导体分接开关对称地调整在炉变压器的初级侧上的要调整的理论绕组抽头并且将半导体分接开关切换到对应的理论位置上。

电弧炉的预设的运行参数指的是电气参数，例如线路中电压、电流强度和阻抗并且还有在电弧炉起动时炉变压器的绕组抽头的接线。

实际电气参数被这样计算，使得从线路中选择具有实际电气参数的极限的线路。随后比较实际电气参数的极限是否小于实际电气参数的界限值。实际电气参数可以是阻抗或导纳。可设想到其他的实际特征电气参数。阻抗或导纳的利用不应构成对本发明的限制。

通常用于确定半导体分接开关的理论位置的周期时间和切换到炉变压器上的理论绕组抽头上的对应切换的周期时间在20ms的范围中。

为了确定电气参数，实施与调节动态相适配的低通滤波。也可以不对称地实施在炉变压器的次级侧上的外导体电压的适配

对于实际电气参数是阻抗的情况，阻抗界限值利用半导体分接开关如下消除，即，所述半导体分接开关切换到炉变压器的初级侧的最小可能的绕组抽头上。由此减少在炉变压器的次级侧上的电压。在炉变压器的次级侧上的电压的减少特别地在每个单独线路中实施。

附图说明

在这里公开的不同实施形式的这些和其他的特征和优点借助接着的说明和附图可被更好地理解，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。附图示出：

图1  用于借助电弧炉熔化金属的系统的示意图；

图2  在熔化过程的初始阶段中将电弧炉的调节结合到电弧炉的总调节中的示意图；

图3  在熔化过程的初始阶段调节电弧炉的流程图的示意图；以及

图4  绕组抽头的差随确定的阻抗的差变化的图示。

具体实施方式

图1示出用于借助电弧炉10熔化金属的系统1的示意图。电弧炉10包括炉容器11，在该炉容器中废钢熔化并且熔体3产生。炉容器11还设有盖(未示出)。壁12和盖设有水冷却装置。按照电弧炉10的运行方式，所述电弧炉具有一个或三个电极4。在直流电弧炉中使用一个电极4。在三相电弧炉10中使用三个电极4。后续的说明以三相电弧炉的示例描绘本发明的原理。防火材料(未示出)作为衬里添加到电弧炉10的内壁13。

电极4安装在保持臂(未示出)上并且可以在需要时移入炉容器11中。每个所述电极4装有一个外导线5，这些外导线全部与炉变压器6的次级侧6S连接。因此，外导线5和电极4形成三相电路的一相或一个线路7。炉变压器6的初级侧6P由供电网9提供需要的高压。有载分接开关20与炉变压器6的初级侧6P连接，所述有载分接开关作为半导体分接开关构成。

控制和调节单元30与半导体分接开关20共同作用，以便切换炉变压器6的在初级侧6P上的绕组抽头T_S1，...，T_SN，从而为所述绕组抽头提供对应的电压和对应的电流，使得预设的实际电气参数E_ist存在于线路7中。实际电气参数E_ist可以例如是阻抗Z或导纳Y。炉变压器6的初级侧6P具有多个绕组抽头T_S1，...，T_SN，所述绕组抽头由半导体分接开关20的半导体开关元件S₁，...，S_N接通。控制和调节单元30从配设给电弧炉10的线路7的电流传感器15和电压传感器16获得输入。控制和调节单元30由输入的数据确定半导体分接开关20的切换过程和需要接通的、炉变压器6的初级侧6A的绕组抽头T_S1，...，T_SN，从而限定在各线路7中的或一个特定的线路7中的电流。电流传感器15和电压传感器16也可以设置在至炉变压器6的初级侧6P的引线8中。

在熔化过程的初始阶段中在电弧炉10中出现强烈的电流或电压波动。经常发生短路并且通常导致显著提高的电流。这与局部断裂的废料堆相关联。该情况可以明显借助按照本发明的并且快速的半导体分接开关10缓解。半导体分接开关10在最极端的情况中切换到最小可能的绕组抽头T_S1(或变压器级)上，从而由此造成炉变压器6的最低电压。因此该过程也可以不对称地特别是对于每个线路7进行。此外，半导体分接开关20开启如下可能性，即:直接切换到最小可能的绕组抽头T_S1上，而处于其间的绕组抽头无须按照顺序接通。

控制和调节单元30执行调节算法，利用所述调节算法计算半导体分接开关20的理论位置S_SOLL。借此可以调整电流界限值I_Grenz，其中半导体分接开关20的理论位置S_SOLL根据每个线路7的传感器15、16的测量参数和相应引起的实际电气参数E_ist可计算相应的电流界限值I_Grenz。利用半导体分接开关20切换到对应于理论绕组抽头T_SOLL的理论位置S_SOLL上。

图2示出在熔化过程的初始阶段中对电弧炉10的调节结合到电弧炉10的总调节22中的示意图。电弧炉10的总调节22最终通过半导体分接开关20实现。基于热的功率调节24以在1秒范围中的周期时间工作。过电流调节26以在20毫秒范围中的周期时间工作。波动调节28以在10毫秒范围中的周期时间工作。这些周期频率对于每个所述调节而言对应于相应调节的重复率。作为测量结果，然后可以借助半导体分接开关20转换到炉变压器6的初级侧6P上的绕组抽头T_S1...T_SN上，借此进行所需的对电弧炉10的调节，从而最小化或断开过电流。关于出现的过电流，对电弧炉10的功率的调节可以利用半导体开关20对称或不对称地进行。在熔化过程的初始阶段对电弧炉10的不对称的调节指的是在外导线5上的受调节的电压的非耦合变化。如已经提到的那样，在此周期频率在20ms的数量级中。

在图3中示出在熔化过程的初始阶段中对电弧炉6进行调节的流程图的示意图。该调节是过电流调节26，利用该过电流调节可以对熔化过程的初始阶段中的快速电流变化进行反应。后续的说明将阻抗Z作为电气参数。这不应该以任何方式理解为对本发明的限制。如在图4中示出的，在此不应该对伴随因半导体分接开关20引起的绕组抽头T_S1...T_SN的转换的每个电流变化进行反应。如果在确定的时间间隔内测量的阻抗Z_ist处于阻抗界限值Z_Grenz之下，则利用半导体分接开关20的干涉是必需的。过电流如下消除，即，将半导体分接开关20切换到最小可能的绕组抽头T_S1或T_SOLL上。

在图3示出的方法中，在第一步骤31中实施电流测量和线路电压测量并且确定当前的电流I_ist和当前的电压U_ist。为此如在图1中示出的那样在每个线路7中设置对应的电流传感器15和电压传感器16。在第二步骤32中对于每个线路7计算当前的阻抗Z_ist。在第三步骤33中从线路7中选择具有最低阻抗Z_min的线路。为了确定具有最低阻抗Z_min的线路7，对于所有线路7实施最低阻抗Z_min的值的低通滤波34。在比较步骤35中检查最低阻抗Z_min是否小于阻抗界限值Z_Grenz。

现在可以在最后的步骤36中计算最高电流或最低阻抗Z_min。借助特征曲线调节器可以计算所需的、绕组抽头的差ΔT_S，所述差取决于边界阻抗Z_Grenz和所测量的最小阻抗Z_min。从当前的绕组抽头T_A(变压器级)中减去该ΔT_S。在炉变压器6的初级侧6P上的要调整的级T_S由在炉变压器6的初级侧6P上的当前的绕组抽头T_A与炉变压器6的初级侧6P上的绕组抽头的差ΔT_S之间的差得出。将炉变压器6的功率调节到初级侧6P的要调整的绕组抽头T_S上的功率调节对于电弧炉10的所有线路7利用半导体分接开关20对称地进行。周期频率在此处于20ms的数量级中。

当前的阻抗Z_ist利用半导体分接开关20如下置于阻抗界限值Z_Grenz之下，即，所述半导体分接开关切换到炉变压器6的初级侧6P的最小可能的绕组抽头上。因此减少在炉变压器6的次级侧6S上的电压。在炉变压器6的次级侧6S上的电压的减少可以特别地在每个单个线路7中实施。

本发明借助两个实施形式进行了说明。然而当然对于本领域技术人员可以对本发明进行改变和变型，而不会在此脱离所附权利要求的保护范围。

附图标记列表

数字      术语

1         装置

3         熔体

4         电极

5         外导线

6         炉变压器

6P        初级侧

6S        次级侧

7         线路、相

8         引线

9         供电网

10        电弧炉

11        炉容器

12        外壁

13        内壁

15        电流传感器

16        电压传感器

20        有载分接开关、半导体分接开关

22        总调节

24        基于热的功率调节

26        过电流调节

28        波动调节

30        控制和调节单元

31        第一步骤

32        第二步骤

33        第三步骤

34        低通滤波

35        比较步骤

36        最后的步骤

T_S1...T_SN 绕组抽头、变压器级

T_A        当前的绕组抽头

T_SOLL     理论绕组抽头

ΔT_S       绕组抽头的差

S₁...S_N   半导体开关元件

S_SOLL     理论位置

E_ist      实际电气参数

E_EXTREM   实际电气参数的极限

E_Grenz    实际电气参数的界限值

I_MAX      电流上限

I_Grenz    电流界限值

U_ASOLL    理论外导体电压

Y         导纳

Z         阻抗

Z_Grenz    阻抗界限值

Z_Min      最小阻抗

Z_ist      当前的阻抗

Claims (8)

1.一种用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉(10)的装置，该装置具有：

三个线路(7)，其分别包括一个电极(4)和一个配设的用于供应电能的外导线(5)，其中在每个线路(7)中设有用于测量当前的电压的传感器(16)和用于测量当前流过的电流的传感器(15)；

控制和调节单元(30)，利用所述控制和调节单元能够对于每个线路(7)与时间相关地计算实际电气参数(E_ist)；

至少一个包括初级侧(6P)和次级侧(6S)的炉变压器(6)；以及

至少一个有载分接开关(20)，所述有载分接开关切换初级侧(6P)的绕组抽头(T_S1，...，T_SN)，其中，三个电极(4)与所述至少一个炉变压器(6)的次级侧(6S)电连接，

其特征在于，所述有载分接开关是实现几毫秒的周期时间的半导体分接开关(20)。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，控制和调节单元(30)具有调节算法，利用所述调节算法能够计算半导体分接开关(20)的理论位置(S_SOLL)，借助所述理论位置能够调整电流界限值(I_Grenz)；所述理论位置(S_SOLL)能够根据每个线路(7)的传感器(15、16)的测量参数和相应引起的实际电气参数(E_ist)计算相应的电流界限值(I_Grenz)，从而利用半导体分接开关(20)能够切换到与理论绕组抽头(T_SOLL)对应的理论位置(S_SOLL)上。

3.一种用于在熔化过程的初始阶段调节电弧炉(10)的方法，其特征在于如下步骤：

对于炉变压器(6)的次级侧(6S)的三个线路(7)中的每个线路实施电流测量和线路电压测量；

从在控制和调节单元(20)中预设的运行参数出发利用调节算法计算合适的理论外导体电压(U_ASOLL)和炉变压器(6)的初级侧(6P)的对应配设的理论绕组抽头(T_SOLL)，借此维持电流上限(I_MAX)；并且

对于电弧炉(10)的所有线路(7)利用半导体分接开关(20)对称地调整在炉变压器(6)的初级侧(6P)上的要调整的理论绕组抽头(T_SOLL)并且将半导体分接开关(20)切换到对应的理论位置(S_SOLL)上。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，对于每个线路(7)计算实际电气参数(E_ist)，其中从线路(7)中选择具有实际电气参数的极限(E_EXTREM)的线路并且随后比较实际电气参数的极限(E_EXTREM)是否小于实际电气参数的界限值(E_Grenz)。

5.按照权利要求3至4所述的方法，其特征在于，实际电气参数(E_ist)是阻抗(Z)或导纳(Y)。

6.按照权利要求3至5所述的方法，其特征在于，用于确定半导体分接开关(20)的理论位置(S_SOLL)的周期时间和切换到炉变压器(6)上的理论绕组抽头(T_SOLL)的对应切换的周期时间在20ms的范围中。

7.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，为了确定电气参数而实施与调节动态相适配的低通滤波。

8.按照权利要求3至7所述的方法，其特征在于，不对称地实施在炉变压器(6)的次级侧(6S)上的外导体电压的适配。