CN101099413A - 交流电还原炉的控制装置 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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，这种波动是由于在浸入电极时熔池电阻的由过程引起的不断变化和/或在用不浸入电极的电弧作业时电阻比的变化引起的。由于电流、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 A1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-即低短路功率的供电网-的情况下实现无闪烁的运行。
DE 4135059 A1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-由于负载波动-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测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冲发生器中，后者产生单相晶闸管控制器的相应点或脉冲，该控制器与主变压器的耦合回路线圈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 A1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冲或十二脉冲桥式电路中。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缓慢的和/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路的大面积的回路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 A1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 A1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，其中晶闸管直接逆变器、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路构成电回路。
EP 0 589 544 B1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 B1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 A1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 A1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极的工作电流和电压、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，使实际的功率因数大致接近于预定的理论值。
电还原炉的电气参数通过电极的液压式升或降尽可能保持恒定。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。
附图说明
下面结合附图所示的一些实施例来详细说明本发明。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可进行缓慢的电极调节，所以可补偿大的理论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UPRI和初级电流IPRI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α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连接。
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。用于电流调节的交流整流器的功率部分每相分别通过两个反向并联的电力电子开关来实现。由于功率高达多兆伏安，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。
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和避免损坏。借助交流整流器可在预定的后端程序(Backprogramm)后控制通过电极14的最佳电极电流IE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。
4.为了保持功率因数的保证值进行的无功功率的限制
用户和供电方之间往往必须保持合同规定的功率因数cos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，不可避免地在敷设大电流导体时产生不对称性并由此导致不同的损耗电阻和电抗。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 电极阻抗
ZB 熔池阻抗
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
IEn 电流
Ipri 初级端电流
Isec 次级端电流
I+/-n 相电流
m 10-3(毫)数字系数
K 103(千)数字系数
M 106(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
tap 时间
U 电压
UK 短路电压
UN 电网电压
Upri 初级端电压
Usec 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
ZH+/-n 阻抗
ZTn 阻抗
α 控制角，相位控制角
cos 功率因数
Claims (16)
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(Isec)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(Isec)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熔池电压的电压比。
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10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。
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