专利名称：交流电还原炉的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一 种带电极的交流电还原炉的控制装置，该控制 装置具有一个变压器和一个用于控制电能输入交流电还原炉的 调节系统，该调节系统用来控制电极的调节装置。
背景技术：
这类电还原炉用来生产非铁金属、铁合金和熔渣，配有成对 单相接头的六个电极或配有背包式连接或星形连接的三个电极。
输入还原炉中的电能的调节至今都是通过电极的液压调节 来实现的。在这种情况下，熔池电阻是通过电极插入炉料中的深 度的变化和/或在电弧作业时通过电极下方的电阻比的变化来影 响的。作为调节值是根据电气值的初级端的测量测出的电极电 流、从该电极电流和电极电压中确定的阻抗或电阻。而电极电压 的调节则是按级通过变压器绕组的变压比的变化借助负载级进 开关来实现的。
在进行这种电极调节时，电炉功率产生严重的波动，这种波
在用不浸入电极的电弧作业时电阻比的变化引起的:由于电:、 电压和功率的这种不断的波动，导致电能不均匀地输入电炉中。
此外，生产非铁金属和铁合金的不同过程需要在电极下方构 成反应空间。为了控制电气参数，频繁的机械电极运动干扰这些 反应空间并阻碍冶金的熔炼和还原过程。
DE 4309640 Al描述了一种直流电弧炉，其电压调节回路置 于电流调节回路之下。其中，电压调节器的实际值由加在变流器 上的电压组成，而理论值由电流调节器的输出电压组成，并在该
电压调节器后面串接一个调谐到闪烁频率的滤波器。直流电弧炉 也可在弱供电网一即低短路功率的供电网一的情况下实现无闪 烁的运4亍。
DE 4135059 Al涉及一种连续电压控制装置，该装置可减少 控制电压的谐波成分。此外，负载电压可进行更精确地调节并可 快速地匹配变化的阻抗。对负载的满功率不需要使用控制电压的 交流电压调节器；在负载电流情况下不产生电流间歇,这种电流 间歇例如在电还原炉的情况下可产生不平稳的和不稳定的电弧 作业并一由于负载波动一可产生变化的无功功率。这种装置特别 适用于在恒定电弧电流情况下负载电压必须快速变化的电弧炉 的运行。该负载电压的波动范围从熔化开始的100伏、在足够熔 化时超过500至700伏直至到强电弧时的1.2千伏。
DE 3508323 C2描述了 一种通过主变压器和辅助调压变压器 对单相或多相电热炉的一个或多个电极进行供电的设备，该设备 可达到用电设备对电网的反作用很小和较好的电流稳定性以及 在多电极炉时也能进行电极的有效功率的单个控制。次级绕组的 电流每相都进行观'j量和整流并作为电流实际值输入求和器中，在 该处形成电流理论值和电流实际值之间的差；将调节偏差输入一 个调节器中，其输出信号侧被输入一个控制脉沖发生器中，后者 产生单相晶闸管控制器的相应点或脉沖，该控制器与主变压器的 耦合回路线圏和所需初级线圈并联。这种装置可用于电弧炉和还原炉。
DE 3439097 Al提出了 一种带有一个或多个电极的直流电 弧炉的调节装置，这些电极作为阴极以及 一 个或多个炉底电极作 为阳极连接，其中三相交流电的整流晶闸管布置在六脉沖或十二 脉沖桥式电路中。这样就可用电流调节来补偿电流的快速的和短 时间的波动并用电压调节通过电极的调节装置来补偿緩慢的和/ 或长时间的波动。晶闸管装置根据电极电流的理论值和实际值之 差进行电流调节并根据电极电压的理论值和实际值进行电压调
节，其中，电压调节比电流调节慢，并进行电极的调节。
这种调节装置是特为炼钢用的直流电弧的需要研发的，整个
电功率以电弧形式输入电炉中用于冶炼过程。
直流电炉需要的炉底电极由于布置在炉腔底部而经受极端
的负载。炉底电极是炉子的薄弱点并需要花费大的和可靠的冷
却。对于还原炉而言，炉底电极的更换很费时而且费钱。
直流电弧炉的大电流回^各的大面积的回^各在通过电流时产
生磁通，该磁通在电弧上产生电动力，该电动力使电弧偏转到与
馈电相反的方向内(电弧偏转)。通过这种电弧偏转在还原炉的
衬砌上增加 一 侧的磨损。
DE 28 27 875涉及一种多相电弧炉及其调节方法。变压器次 级端的控制所需要的值在排除相对于炉子熔池测出的次级相电 压的情况下从确定的初级端和/或次级端测量中测出和算出，其 中希望的调节值的计算是在这样的假定下进行的次级绕组的电 感特性在电弧炉的别的波动过程中是预知的，且这样算出的调节 值的边缘条件是由与运行有关的炉子变量决定的。这种装置适用 于所有多电极炉子。测出初级端的相电压和星形连接的相电流； 次级端的值是这样推导的，即，至少在多数情况中，这些值可用 于较好的调节。
DE 20 34 874 Al公开了 一种由中压或高压交流电网供电的 电弧炉供电系统，电弧炉的电极通过炉子变压器和无接触的、可 控的电子开关与交流电网连接，该电子开关调节炉子电流并在过 电流的情况中断开电流。在多相系统中，这种调节有助于避免供 电网的不对称的负荷。这种无接触的、可控的电子开关既可取代 炉子变压器的级进开关又可代替它的中间级开关。
DE 20 17 203 Al描述了一种带有在电流为3至15赫兹时不 断自耗的电极的电渣再熔法的电炉，其中晶间管直接逆变器、交 流变压器和带电极和壁的炉子回路与带有单相变压器的中间回 ^各构成电回^各。
EP 0 589 544 Bl涉及一种带有串联扼流圈的并通过该扼流 圈并联的交流晶闸管桥作为可控桥接开关的三相电弧炉设备，其 中控制用的 一 台电子数据处理设备除了处理电气数据如电流电 压、谐波含量和闪烁外，还处理过程数据并按理论与实际数据匹 配进行。
EP 0 498 239 Bl提出了 一种直流电弧炉的电极调节方法和 电极调节设备以及一种装置，其中，避开电极调节的理论值的计 算，从电流调节器中取 一 个与控制角成比例的信号以代替直流电 压。该信号通过一个衰减元件传送，该衰减元件除了监控信号匹 配外，还监控极限值并滤掉不希望的频率。理论值相当于整流器 的中间调节。电弧长度是这样调节的而与电压变化无关，即要求 的电流通过整流器上预定的调节来实现；为了电流的恒定，总是 提供一个足够的调节范围。通过在整流器上调节到恒定的调节也 能达到供电网的恒定的平均功率因数。
EP 0 429 774 Al公开了 一种带受控电流的多相电弧炉的供 电设备和方法，它由一个交流电网、 一个受控串联扼流圈、 一个 三相炉子变压器和一个带液压工作的电极调节系统的电弧炉组 成。相电流通过一个电流互感器进行测量并输入一个带有控制装 置的晶闸管控制的感应器中。该控制装置则影响位于总线路内的 串联电抗。其他的有影响的测量信号值是电极位置和变压器电 压。
WO 02/28/46 Al描述了 一种基于直接的功率因数调节的自 动电极调节器和一种具有一台炉用变压器的电弧炉的调节方法， 它由下列组成 一台变压器用于测量电^L的工作电流和电压、一 个转换器用于计算电极的有效功率、 一个转换器用于计算电极的 无功功率、 一个可编程的控制单元用于计算电极的功率因数和与
预定的理论值匹配以及 一 个电极高度调节和测量装置，该装置与 该控制单元按信号技术要求连接，且电极这样运动，使实际的功 率因#t大致接近于预定的理_论值。
服保持
恒定。但这些参数由于在电极浸入时熔池电阻的变化和/或由于 在炉子运行不带电极浸入即在电弧作业时电阻比的变化而永远 是波动的。因而产生电能不均匀地输入电炉。此外，由于局部很 剧烈的电极运动，致使炉内的反应空间难于构成。
发明内容
本发明的目的在于改进上述类型的控制装置，使输入电还原 炉的功率稳定化并由此增加电能输入和生产。此外，电极运动被 减少到最低限度，以便无障碍地构成反应空间。
根据本发明，这个目的是这样实现的控制装置还具有可控的 电力电子交流开关，它们在次级端接入大电流导体并通过一个点火 线路与控制系统连接，以便输入控制点火脉冲，其中，该控制装置 设计成只通过上述交流开关来补偿电气参数的短时间的波动，电能 输入的调节不再只通过电极位置的改变来实现，而是主要借助在次 级端接入大电流导体的可控电力电子开关来实现；通过功率半导体 的相位角控制可无级地调节次级电流的有效值，与目前公知的电极 的机械调节相比，功率半导体的相位角控制是很快的。这样，就可 比较迅速地对过程电气参数的变化作出反应，并由此可稳定电流功率。
电极的机械调节只限于在大的理论值偏差时的熔池电压的电压 比的补偿和电极烧蚀的补偿。
优选的是，调节系统具有功率半导体的相位角控制而可无级地 调节次级电流的有效值。
该调节系统可按有利的方式这样设计，使它在背包式电路的还 原炉中调节次级电流的有效值。
根据本发明，功率半导体具有反向并联的晶闸管组，这样就可 进行三相交流电的相位角控制。
与电极的机械调节相比，功率半导体的相位角控制可迅速对炉
子过程的电气参数的变化作出反应并稳定炉子功率。
电极的调节装置可按有利的方式这样设计，使在大的理论值偏
差和电极烧蚀时补偿熔池电压的电压比。
如果电流和电压调节尽可能分开时，则可获得最佳的调节。 优选的是，还原炉的大电流系统的电极成对按星形连接。还原
炉的大电流系统的电极还可与 一 台三相变压器或三台单相变压器按
背包式接法连接。根据本发明，还原电炉的大电流系统的电极也可
按三角形接线。
调节系统可按特别有利的方式这样设计，使到索德贝尔格电极 的夹具的单个电极电流是可限制的。
根据本发明，调节系统可这样设计为了避免由于过电流引起
损坏，变压器电流特别是在低于功率转折点的电压范围内是可限制 的，或为了避免过热并由此增加变压器的使用寿命，变压器功率特 别是在高于电流转折点的电压范围内是可限制的。
根据本发明，调节系统也可这样设计，即为了保持功率因数的 保证值，无功功率是可限制的。
如果调节系统设计成使断路器和负载级进开关可在几乎无电流 的状态内进行操作，则可增加断路器和负载级进开关的使用寿命。
如果调节系统这样设计，在调节电极时还预先考虑在电极下方 构成反应空间所需的空转时间和/或滞后，则可把冶金反应空间的干 扰减少到最低限度。调节电气参数所需的频繁的机械电极运动干扰 反应空间并妨碍冶金的熔炼过程和还原过程。
下面结合附图所示的 一些实施例来详细^L明本发明。附图表示
图1 单相结构的本发明调节系统；
图2 带有成对连接电极的六电极炉；
图3 三电极炉按背包式接法与三相变压器连接；
图4 对称构成的三电极还原炉按背包式接法与三台单相变压
器连接；
图5 说明本发明诸多优点用的曲线族。
具体实施例方式
图1表示本发明的调节系统1,该调节系统具有一个监控器2、 一个电流调节器3、一个相位角控制器4和一个电压调节器5。为了 控制，例如与个人计算机6连接。
但在图1中只示出了三相系统的一相。
炉子开关8通过一根操作电流线路7借助电动机9使下面将说 明的炉子连接到供电电压10上。该供电电压加在炉子变压器11的 初级端，该变压器的负载级进开关可借助一个调节装置12通过调节 系统1进行调节。
在炉子变压器11的次级端连接一个电子交流开关即功率半导体 13，后者与一个可浸入接地的炉子15的熔池中的电极14连接。
功率半导体13包括两个反向并联的电力电子开关。其中，由于 功率高达多兆伏安(MVA)，作为半导体器件最好用闸流晶体管，但 也可用可控的功率晶体管。功率半导体13通过调节系统1经点火线 路16供给点火脉冲以便接通。
液压系统17可进行緩慢的电极调节，所以可补偿大的理i仑值偏 差时的熔池电压的电压比和电极烧蚀。测量装置18向调节系统1提 供一个对应于电极14位置的信号。
在调节系统1上连接有电气值的测量和监控装置19,初级电压 Um和初级电流Im的相应测量值输入该装置中。测量和监控装置19 从中算出调节系统1需要的值。在炉子开关8前面， 一个接地监控 装置20与供电电压10连接，该装置同样向调节系统1提供它的测 量值。
本发明的调节系统1可由一个可存储器编程的控制器(SPS)、 一个过程控制系统(PLS)、 一个个人计算机(PC) 6或一个其他的 计算机支持的系统来实现。作为调节系统1的输入量用初级端和次
级端的测量和监控装置19测出的电气值以及负载级进开关或(如果 存在的话)星形-三角形开关的位置。电极位置的测量可选择地归纳 到控制和调节系统1中。
调节系统1的输出值是电极14升降用的液压阀的调节值以及功
率半导体13的相位角控制器4的电子控制装置的调节值。
调节系统1可扩大炉子变压器11的负载级进开关的自动调节，
以便所需的控制角oc保持在极限内和避免在电弧工作时电流中断和
部分负载。
图2至4表示大电流侧的三相交流电路。图2表示带有六个成 对连接的电极14的炉子15,这些电极通过功率半导体13与炉子变 压器11的次级端的相U、 V、 W连^^妻。
图3表示带有三个电极14的炉子15，该炉子按背包式接法连接 在一台三相变压器上。
图4所示的大电流系统的结构表示三个相互错开120°的单相变
压器和交流整流器以及大电流电路的角对称的敷设和电极相的布 置。通过这种一贯的对称结构可达到相应阻抗的均匀比例，从而容 易实现将尽可能均匀的功率输入还原炉中并由此使高压电网尽可能 均匀地负荷。过程引起的非对称的负荷可通过本发明进行很好的控制。
背包式接线适用于带有三个电极的电还原炉，在这种炉子中， 炉子变压器的次级绕组的接线被引出并连接到三个电极上呈三角 形。这三个电极与炉子熔池构成星形负载。其中炉子熔池构成中性 点。通过大电流导体的补偿磁场的布置，减少了炉子阻抗，从而可 把一个与变压器功率成比例的较大的有效功率输入炉子中，这样就 获得了 一个较好的功率因数cos^ 。
可分别用一个单相的可控的交流整流器与一个单相的炉子变压 器连接或三相可控的交流整流器与三相炉子变压器连接。用于电流
;开关来实现。由于功率高达多兆伏安，作为半导;器件最好用闸
流晶体管。但也可用可控的功率晶体管。
图3和4所示的背包式接线由于电场的补偿效应而具有大电流 线路的无阻抗的连接。从而可减少还原炉产生的无功功率部分。但_ 也可是变压器的次级绕组按三角形接线的电路。用三个引到大电流 线路的次级接线通过电极相和熔池连接成星形，例如炼钢电弧炉通 常那样。
除了本发明的上述主要目的外，还附加地具有下面将说明的其 他优点。
1. 到索德贝尔格电极的单个电极电流的限制
在炉子启动时或在电极破裂后，重要的是，要根据夹具的进展 限制电极电流Ie和避免損坏。借助交流整流器可在预定的后端程序
(Backprogramm )后控制通过电才及14的最佳电才及电流"并避免由于 过电流引起电极的损坏。为了避免新用的索德贝尔格电极的初期破 裂，可规定电极14的机械调节。
2. 为了避免过电流引起的损坏，特别是在低于功率转折点的电 压范围内的变压器电流的限制。
变压器11通过过电流继电器保护，它在过电流时触发炉子开关 8中断生产作业。根据相应的电压等级，相应的最大变压器电流可通 过本发明的调节系统1按软件进行限制并由此防止由于过电流引起 的变压器开断。图5中示出的平直线段20表示与次级电压有关的电 流限制。图5所示的曲线族直观地说明了次级电压和次级电流的相 互关系。
3. 为了避免过热从而增加变压器使用寿命，特别是在高于电流 转折点的电压范围内的变压器功率的限制。
由于很小的熔池电阻引起的超过最大容许视在功率，可导致炉 子变压器11由于过热而损坏或缩短炉子变压器11的使用寿命。借 助交流整流器可通过交流调节器把炉子变压器11视在功率限制到最 大值。这是通过依赖于相应电压等级的电流限制来实现的，这例如 象图5的第二曲线段21所示。 用户和供电方之间往往必须保持合同规定的功率因数cosp的极 限值。通过调节系统把炉子功率简单的调小即可避免低于极限值。
5. 避免和限制由于炉子设计和过程引起的供电高压电网的不对 称的负荷
由于炉子的几何尺寸例如矩形炉子和/或电极14的串联布置和/ 或用三相变压器或用串联布置的三个单相变压器，不可避免地在敷
但由于过程引起的还原炉熔池的不同电阻比也可产生不对称的负 荷。这些不希望有的不对称的电网负荷都可通过调节系统1很好地 进行修正。
6. 通过在几乎无电流的状态内的操作提高断路器和负载级进开
关的使用寿命
由于在负载情况下操作炉子开关8和电压级进开关通常降低用 电器具的使用寿命；由于大的断流容量，即使在弱电网时也会产生 闪烁现象。通过本发明的调节系统1可在操作炉子开关8或级进开 关之前阻塞功率半导体13,这样，断路器就可在几乎无电流的状态 内进行操作。只须接通变压器11的无载电流。
此外，由于改善了调节性能和在炉子15启动时限制电极电流的 方案，可减少大量的电压级。
本发明的控制装置可实现带有三个或六个电极的三相电炉的运 行而不需要炉子电极。晶闸管组反向并联，其中三相交流电保持相 位角控制的形式。
本发明提出的调节装置特别与电还原炉的过程要求协调 一 致， 这种炉子应尽可能避免电极运动，因为电极运动对冶金的熔炼和还 原过程产生干扰作用。电极的液压调节实际上只能补偿电极烧蚀并 只能对较大的电压偏差产生反应。
由于在用背包式接线的炉子中次级电流不等于电极相电流，此 时需要一种通过本发明调节系统1来实现的特殊调节方法。
附图标记表
1调节系统
2监控装置
2电流调节器
3相位角控制器
4电压调节器
5个人计算机
6操作电流线路
7炉子开关
8电动机
9供电电压
10炉子变压器
11调节装置
12功率半导体
13电极
14炉子
15点火线路
16液压系统
17电极位置的测量装置
18电气值的测量和监控装置
19接地监控装置
20平直线段
21第二曲线段
ZT变压器阻抗
ZH阻抗
zE电才及阻抗
zB炫池阻抗
PC个人计算机
PLS过程控制系统
SPS可存储器编程的控制器
A安培/量纲
AC交流电
En测量点
f电网频率
I电流
1 En电流
丄pri初级端电流
丄sec次级端电;危
L/-n相电流
m10_3 (毫)数字系数
K103 (千)数字系数
M106 (兆)数字系数
M电动机符号
n序数
P有效功率
Q无功功率
S视在功率
Sn额定视在功率
Ssc视在功率
SAF
t ap时间
U电压
UK短路电压
UN电网电压
Upri初级端电压
Usee次级端电压
u， v，w电系统的相
VA伏安/量纲 V 伏/量纲
Var 有源伏安/量纲
W 电功
W 瓦/量纲
wh 瓦小时/量纲
ZBn 阻抗，比电阻
ZEn 阻抗
z +/—n 阻抗
zTn 阻抗
a 控制角，相位控制角
功率因数
权利要求
1.带有电极(14)的交流电还原炉(15)的控制装置，该控制装置具有变压器(11)和用于控制电能输入交流电还原炉(15)的调节系统(1)，该调节系统用于控制电极(14)的调节装置(17)，其特征为，该控制装置还具有可控的电力电子交流开关(13)，该交流开关在次级端接入大电流导体并通过点火线路(16)与调节系统(1)连接以输入控制点火脉冲，其中该控制装置对电气参数的短时间的波动只通过交流开关(13)来进行补偿。
2. 按权利要求1的控制装置， 其特征为，调节系统(1)具有功率半导体(13)的相位角控制器(4)，该 相位角控制器无级地调节次级电流(Iw)的有效值。
3. 按权利要求1或2的控制装置， 其特征为，调节系统(1 )在背包式电路的还原炉中调节次级电流(Iw)的 有效值。
4. 按权利要求1至3任一项的控制装置， 其特征为，功率半导体(13)具有反向并联的晶闸管组。
5. 按权利要求1至4任一项的控制装置， 其特征为，功率半导体(13)的相位角控制器(4)对炉子过程的电气参数 的变化快速反应并稳定炉子(15)的功率。
6. 按权利要求1至5任一项的控制装置， 其特征为，电极(14 )的调节装置(16 )在大的理论值偏差电极烧蚀时补偿 火容〉也电压的电压比。
7. 按权利要求1至6任一项的控制装置， 其特征为，电流调节器(3)和电压调节器(5)在很大程度上是去耦的。
8. 按权利要求1至7任一项的控制装置， 其特征为，还原炉(15 )的大电流系统的电极(14 )是成对地按星形连接的。
9. 按权利要求1至7任一项的控制装置， 其特征为，还原炉(15 )的大电流系统的电极(14 )与三相变压器或三台单 相变压器(11 )按背包式接法连接。
10. 按权利要求1至7任一项的控制装置， 其特征为，还原炉(15)的大电流系统的电极(14)按三角形接法连接。
11. 按权利要求1至9任一项的控制装置， 其特征为，调节系统(1 )使到索尔贝尔格电极的单个电极电流(Ie)是可 限制的。
12. 按权利要求1至IO任一项的控制装置， 其特征为，调节系统(1)为了避免由于过电流引起损坏，使变压器电流特 别是在低于功率转折点的电压范围内是可限制的。
13. 按权利要求1至11任一项的控制装置， 其特征为，调节系统(1 )为了避免电压器(11 )过热，使变压器功率特别 是在高于电流转折点的电压范围内是可限制的。
14. 按权利要求1至12任一项的控制装置，其特征为，调节系统(1 )为了保持功率因数(cos^ )的保证值，使无功功率 是可限制的。
15. 按权利要求1至13任一项的控制装置， 其特征为，调节系统(1 )使断路器(8 )和级进开关可在几乎无电流的状态内进行操作。
16. 按权利要求1至13任一项的控制装置， 其特征为，调节系统(1 )在调节电极(14)时不预先考虑所需的空转时间 和/或滞后
全文摘要
本发明涉及一种带有电极(14)的交流电还原炉(15)的控制装置，该控制装置具有变压器(11)和用于控制电能输入交流电还原炉(15)的调节系统(1)，该调节系统用于控制电极(14)的调节装置(17)，该控制装置还具有可控的电力电子交流开关(13)，该交流开关在次级端接入大电流导体并通过点火线路(16)与调节系统(1)连接以输入控制点火脉冲，该控制装置对电气参数的短时间的波动只通过交流电开关(13)来进行补偿。
文档编号H05B7/148GK101099413SQ200680001076
公开日2008年1月2日 申请日期2006年10月11日 优先权日2005年10月26日
发明者D·博格瓦特, J·孔策, T·帕施 申请人:西马克·德马格公司