专利名称：用于将电能馈入交流电炉中的电子开关电路和方法
技术领域：
本发明涉及用于给尤其是用于熔化金属的交流电炉的至少一个电极馈给能量的电子开关电路和方法。
本发明可以应用于电炉中用于生产非铁金属、铁合金、工艺渣、钢以及用于渣清除。电炉可以被构造为电还原炉、电低身竖炉或电弧炉。
从德国公开文献DE 2 034 874中公知用于给交流电炉馈电的一种这样的电子开关电路。在那里所公开的电子开关电路接入电网和电炉的至少一个电极之间。所述电子开关电路包括一个串联电路，该串联电路由电炉的接通/关断开关、用于从电网中提供电炉用的馈电电压的变压器、和接入变压器和电极之间的用于调节通过电极的电流的交流调节器组成。
交流调节器典型地由两个反并联的晶闸管组成，并且以相位控制的形式来实现电流调节。在此，典型地在电炉的整个工作范围、即很大的电流范围上来设计实现电流调节器的功率部分的晶闸管。特别在用大的馈电电压运行的功率强大的炉中，由于高的晶闸管截止电压而通常需要晶闸管的很昂贵的结构系列。但是具有大的截止电压的晶闸管通常不能接通大的电流；为了接通如在电炉的确定的运行状态下、尤其是在电阻运行时完全可能出现的大电流，因此必须并联许多单个的晶闸管或整个交流调节器。于是只有这样可以引导在至少各个运行状态下必要的高电极电流。为了在所有运行状态下、尤其是也在高电极电流时确保电炉的可靠运行，因此在传统上需要昂贵的和耗费的整流器电路。
以该现有技术为出发点，本发明所基于的任务在于，在结构上简单而便宜地如下改进用于将电能馈入交流电炉中的电子开关电路和方法，使得在所有的运行状态下、尤其是也在高电极电流时可以毫无问题地运行电炉。
通过权利要求1的主题来解决该任务。据此，用于给交流电炉馈电的本发明电子开关电路的特征在于，用于测量流过电极的电流的数额的电流测量设备、并联于交流调节器的跨接隔离开关、和用于按照流过电极的电流的数额来断开或闭合跨接隔离开关的控制设备。
可以很简单而成本有利地来实现所述的表征性特征。在其所要求的配置中，所述特征能够以有利的方式在有威胁的过载时、即在电炉的需要特别大的电极电流的运行状态期间实现交流调节器的跨接。诸如具有浸入的电极和没有电弧部分的电阻运行的这些运行状态有利地不要求通过交流调节器特定地调节电极电流；所述交流调节器功能于是是非必需的，并且于是像所要求的那样被跨接。在电炉的另外的运行状态下、例如在具有电弧部分的电阻运行期间，根据本发明断开跨接隔离开关，其结果是于是电极电流经由交流调节器引导，并且可以通过该交流调节器调节。通过电极的电流的数额在具有电弧的运行期间典型地比在没有电弧的电阻运行期间小。
基于通过本发明跨接隔离开关所实现的通过交流调节器对电流的限制，可以有利地显著较小地确定该交流调节器的大小，并且可以更简单而便宜地制造，而电炉运行的限制不会与之相联系。
直接在交流调节器前和后、但是还在跨接隔离开关的端子之间设置附加的隔离开关，提供以下的优点，即在闭合的跨接隔离开关情况下、即当交流调节器被跨接时，可以例如为了维护目的而将该交流调节器从电子开关电路中取出，而不必中断电极电流和因此中断电炉的运行。
通过根据本发明设置跨接隔离开关，非常简单且成本有利地使电子开关电路与电炉的由于冶金学的要求所得出的不同的运行状态相匹配。
上述的任务还通过一种用于将电能馈入交流电炉中或其电极中的所要求的方法来解决。该方法的优点对应于上面有关所要求的电子开关电路所述的优点。
电子开关电路以及本方法的有利的扩展方案是从属权利要求的主题。
总共给本说明书附上4个图，其中
图1展示了本发明的电子开关电路；图2展示了电还原炉的典型的电压电流功率图U-I-P图；图3展示了通过电炉中的电极和熔体的横断面、以及电极电流的该段的所属等效电路图；和图4展示了按照图2的具有附加画入的电炉的不同运行范围和所画入的电流阈值的图。
以下以实施例的形式参考所述图来详细说明本发明。
典型地将具有三个或六个电极的电炉用于熔化钢。在具有六个电极的炉中，分别成对地电路连接用于将能量引入下炉缸12中的电极11。在具有3个电极11的电炉中，通常以背负式接法(Knappsackschaltung)连接电极，以便减小强电流线路的电抗。但是替代于背负式接法，电极的星形接法也是可以的。
图1展示了用于将电能馈入电炉中的本发明电子开关电路。图1展示了单相的示图；可以设置相应的电路用于其它的相。
通常从中压电网1实现电炉的能量供应。在中压电网和电极11之间，电子开关电路包括炉变压器6，该炉变压器6用其初级侧朝向中压电网1(以下也称电网)，而用其次级侧朝向电极11。在电网1和炉变压器6的初级侧之间，电子开关电路包括第一串联电路，该第一串联电路包括电压测量设备2、用于接通或关断电炉的炉功率开关3、电流测量设备4、选择性地包括用于将炉变压器的初级绕组选择性地接入星形或三角形接法中的星形/三角形开关、以及过电压保护13。星形/三角形开关能够将炉变压器6的测定电压范围以例如因数1.73向上或向下移动。
在炉变压器6的次级侧和电极11之间，电子开关电路基本上具有由第一隔离开关10a、交流调节器8和第二隔离开关10b所组成的第二串联电路。隔离开关10a和10b在闭合的强电流隔离开关9情况下能够例如为了维护工作而电隔离或拆卸交流调节器8，而不必为此中断电炉运行、尤其是带有浸入的电极的和没有电弧部分的电阻运行。交流调节器8能够以相位控制的形式实现电极电流的调节。
根据本发明，已通过并联于交流调节器8和选择性地也并联于第一和第二隔离开关10a和10b的跨接隔离开关9来补充电子开关电路，该跨接隔离开关9由控制设备14来控制。该控制设备14按照流过电极11的电流的由电流测量设备4所测量的数额来控制跨接隔离开关9。可以以存储器编程控制装置、工艺控制系统、或其他计算机支持系统的形式来实现控制设备14。
在构建电子开关电路之后，现在结合本发明电子开关电路来详细说明电炉的工作方式。
图2展示了具有6个电极的电还原炉的典型的电压电流功率图U-I-P图。在该曲线图中示出了与描绘在纵坐标轴上的次级电流和描绘在横坐标轴上的次级电压有关的有功功率曲线100。特性曲线群200表示炉电阻。在此，通过特性曲线300来象征性表示电炉的短路阻抗。在曲线图中的这些特性曲线仅对恒定的晶闸管触发角有效。在较大或较小的触发角情况下，特性曲线经由横坐标移动。
特性曲线4a和4b展示了与次级电压有关的在变压器绕组的初级侧星形接法时通过电极的最大允许电流4a、和在变压器绕组的初级侧变压器三角形接法时的4b。特性曲线500表明了本发明交流调节器8的最大测定电流、即电流阈值。
典型地在电炉中，根据工艺、使用材料和产品基本上可以区分以下的冶金学的运行状态a)具有浸入的电极和没有电弧部分的电阻运行；b)仅具有微小的电弧部分的电阻运行；和c)具有高的电弧部分的运行。
以下详细阐述该三种运行状态具有浸入的电极和没有电弧部分的电阻运行通过炉渣的电阻温升来生成对于工艺必要的能量。电极11明显浸入炉渣中，浸入深度还与电极直径有关；但是该浸入深度通常位于约200mm之上。在该运行方式下，引导电流通过炉渣，由此电能由于炉渣的电阻而转变成焦耳热量，该焦耳热量推动例如还原和熔化的冶金学吸热反应。具有浸入的电极和没有电弧部分的电阻运行通过高电极电流和明显在1000V之下的相对低的次级电压表征。
在该运行方式下，由于浸入的电极而不存在对调节的特殊要求。于是因此也可以常规地、即无电流调节地来运行电炉。因此恰当的是在该运行期间闭合跨接隔离开关9并且因此跨接交流调节器8。以此方式保护在交流调节器8中的功率半导体、典型地晶闸管免受太大的电流。
仅具有微小的电弧部分的电阻运行通过炉渣的电阻温升来生成对电炉的该运行必要的能量的主要分量。在此引导电流通过炉渣，由此电能通过炉渣的电阻而转变成焦耳热量。焦耳热量在此推动例如还原和熔化的冶金学的吸热反应。可以通过在电极的下面范围中或在它们之下出现的电弧来产生附加的小能量输入。这只有在最小浸入的电极时或在直接在渣池上的电极位置时才能成功。对于该运行方式，通常需要相对大的电流强度和比较低的电压；请参阅图4，范围b)。然而电压在该运行方式时明显高于在浸入的电极时。在大约30-50MW功率的炉时，次级电压典型地具体位于围绕1000V的范围中。
具有高的电弧部分的电阻运行在该运行方式下通过电弧实现能量输入的较大的分量。电弧将其辐射热量直接传输到炉的炉料和炉渣层上。在此原则上在用开放的电弧的作用原理和用覆盖的电弧的作用原理之间进行区分。
在用开放的电弧的作用原理下，电弧在不使用侧热辐射的情况下射到炉料M或炉渣S上；请参阅图3，其中N代表未被覆盖的电弧的范围。在图3中也通过电极11、电弧L、炉渣S和熔化的金属15指明了电气路径的等效电路图。在理想化的观察时，电极11和熔化的金属15的欧姆电阻可以假设为零。于是对于电极电流剩下了基于电弧L的欧姆电阻RL和通过炉渣S的欧姆电阻RS。
在用覆盖的电弧的作用原理下，由炉料M部分地覆盖电极11的边缘范围，在图3中参阅电极的右边缘。除了电弧能量之外，通过电阻温升所引入的能量的大致相等或较小的分量被输入到电极中。对于具有高的电弧部分的所述运行方式，通常在高电压情况下需要低电流；请参阅图4范围c)。
在此在具有30-50MW之上的功率的炉情况下，电压通常位于1000V之上。由于电弧的具有不稳定性倾向的非线性和随机的特性而存在对电极电流调节的高要求。在运行方式c)下，通过交流调节器8来引导和调节整个所需要的电极电流。在此情况下断开强电流隔离开关9。
在运行方式b)和c)之间的过渡是顺畅的。原则上适用的是，只有在通过提高变压器6的次级电压而日益增大的功率提高情况下、在电弧L在能量输入上的增加的部分情况下(请参阅图3)、并且在未超过电极电流的电流阈值300时才断开跨接隔离开关9和闭合第一和第二隔离开关10a、10b。于是以此方式接通交流调节器，并且用来优化能量输入。相反地，在通过电弧的能量输入下降时、在次级电压下降时、和在增大的电极电流下、即原则上在由电极电流超出电流阈值时，必须重新及时地从电路中取出交流调节器8。用于断开跨接隔离开关9的电流阈值300原则上与用于闭合跨接隔离开关的电流阈值是相同的。然而对于两种过程也可以设想不同的电流阈值，例如以一种滞后来组合。
类似于图2，对于具有129MVA的FeNi工艺，图4展示了用于将能量引入具有6个电极的电炉中的本发明电子开关电路的标注尺寸的例子。正如在图2中那样，特性曲线300在这里也表示通过交流调节器8的最大电流，并且因此表示用于转接跨接隔离开关9的电流阈值。在该阈值之上的电极电流时，闭合交流调节器8，于是由此在电气上减轻交流调节器的负荷。这具有以下的优点，即可以显著较小地确定交流调节器8整个的和尤其是其功率半导体的尺寸，由此简单而便宜的解决方案是可能的。
但是，即使在针对运行方式b)和c)设计电炉、尤其是电还原炉时，从而也可以在起动运行的和部分负载运行的范围中用闭合的跨接隔离开关9、即用跨接的交流调节器8来运行它们。
权利要求
1.用于将电能馈入尤其是用于熔化金属的交流电炉的至少一个电极(11)中的电子开关电路，以串联方式包括用于从电网(1)中提供电炉用的馈电电压的变压器(6)；和接入变压器(6)和电极(11)之间的用于调节通过电极(11)的电流的交流调节器(8)；其特征在于，用于测量流过电极的电流的数额的电流测量设备(4)；并联于交流调节器(8)的跨接隔离开关(9)；和用于按照流过电极(11)的电流的数额来断开或闭合跨接隔离开关(9)的控制设备(14)。
2.按权利要求1的电子开关电路，其特征在于，将第一隔离开关(10a)接入变压器(6)和交流调节器(8)之间和将第二隔离开关(10b)接入交流调节器(8)和电极(11)之间。
3.按权利要求2的电子开关电路，其特征在于，如此来接入跨接隔离开关(9)，使得所述跨接隔离开关跨接由第一隔离开关(10a)、交流调节器(8)和第二隔离开关(10b)所组成的串联电路。
4.用于将电能馈入尤其是用于熔化金属的交流电炉的至少一个电极(11)中的方法，包括以下步骤从电网(1)中提供电炉用的馈电电压；和借助交流调节器(8)调节通过电极(11)的电流；其特征在于，测量流过电极的电流的数额；和按照所测量的电流的数额通过短路连接来跨接交流调节器。
5.按权利要求4的方法，其特征在于，如果通过电极(11)的电流的数额超过预先规定的电流阈值，则跨接交流调节器(8)。
6.按权利要求5的方法，其特征在于，如果所述电流的数额位于预先规定的电流阈值之上，则以起动运行、保温运行、或没有电弧部分的电阻运行来运行电炉。
7.按权利要求5的方法，其特征在于，如果所述电流的数额位于预先规定的电流阈值之下，则以具有电弧部分的电阻运行来运行电炉。
8.按权利要求4至7之一的方法，其特征在于，如果交流调节器(8)被跨接，则可以在电炉的运行期间例如为了维护目的而从用于给电极馈电的电子开关电路中拆卸交流调节器(8)。
全文摘要
本发明涉及用于将电能馈入尤其是用于熔化金属的交流电炉的至少一个电极(11)中的电子开关电路和方法。这种类型的公知开关电路典型地包括一串联电路，该串联电路由用于从电网(1)中提供电炉用的馈电电压的变压器、和接入变压器(6)和电极(11)之间的用于调节通过电极(11)的电流的交流调节器(8)。根据本发明建议这样的电子开关电路的一种在结构上简单和成本有利的改进方案，该改进方案也在具有高电极电流的电炉的运行方式下防止交流调节器(8)的过载。该改进方案规定，通过跨接隔离开关(9)来跨接交流调节器，其中借助控制设备按照流过电极(11)的电流的数额来断开或闭合该跨接隔离开关(9)。
文档编号H05B7/00GK101091416SQ200680001470
公开日2007年12月19日 申请日期2006年7月24日 优先权日2005年8月15日
发明者R·科尼格, T·帕斯奇, A·哈亚克斯, R·德格 申请人:Sms迪马格股份公司