CN104782227B - 用于减少在电弧炉运行中的电网反作用的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于减少在电弧炉(10)运行中的电网反作用的装置和方法。电弧炉(10)包括三个分别具有电极(4)的线路(7)。在每个线路中设置有用于测量当前流过的电流的传感器(15)和用于测量当前存在的电压的传感器(16)。控制和调节单元(30)计算实际电气参量(E_ist1、E_ist2、E_ist3)。半导体分接开关(20)配置给炉变压器(6)，使得通过合适地选择炉变压器(6)初级侧(P)的三个理论绕组抽头(T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3)而可调节在每个线路(7)中的理论电流(I_s1、I_s2、I_s3)。

Description

用于减少在电弧炉运行中的电网反作用的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于减少在电弧炉运行中的电网反作用的装置。电弧炉包括三个线路，各线路分别具有一个电极和一个用于供应电能的配置的外导线。在每个线路中设置有用于测量当前流过的电流的传感器和用于测量当前存在的电压的传感器。控制和调节单元对于每个线路由电流和电压的时间变化计算实际电气特征参量。

此外本发明涉及一种用于减少在电弧炉运行中的电网反作用的方法。

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一种方法和一种装置。在此应该允许精确地、经济地且可在技术上无需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功率调节装置操控。叠加于电流调节器的功率调节器同样提供用于电流调节器的参考变量。在所有情况中只有电流调节器直接作用于电极调节。因此对于用于变压器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功率调节器调整变压器电压。提升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由磨损调节器或直接作为预设的理论参量提供。

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。配置给至少一个电极的电弧具有基于调整的第一运行参数组产生的第一辐射功率。该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。监控是否在实际的过程变化和预期的过程变化之间存在不希望的偏差。其方式为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的情况下取得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消耗熔化材料。炉变压器设有负载开关并且因此在变压器的次级侧上的输出电压可被调整。通过改变炉变压器的抽头或通过借助电极升降装置使石墨电极升高和降低来进行控制，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电极的电流的强度。

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，所述固定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引出线连接。负载引出线具有固定的、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。而对于包括半导体开关元件的分接开关则产生不同的缺点。由于持久存在的运行电压并且由于因雷电冲击电压引起的对电力电子器件的负荷而需要高的绝缘距离，这是不希望的。

在德国专利申请DE 27 42 221 A1中公开了一种用于阻止在电弧炉运行中的干扰闪烁现象的方法。电能通过包括分接开关控制装置的变压器供应，其中闪烁水平借助闪烁测量仪器持续检测。测量结果在评估仪器中处理成信号，该信号与对应于所允许的闪烁基准的预设理论值相比较。在预设时间间隔内超过理论值时，借助连接于下游的控制器输出控制脉冲以便将有载分接开关转换到较低的次级电压级上。在低于下理论值时，通过控制器操控较高的次级电压级。

如由现有技术已知的那样，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。通过包括集成的分接开关的炉变压器为三相电弧炉提供能量。通过变压器级可以调整相应的能量输入。

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由此能够允许以稳定的电弧使炉运行以及限定短路电流。根据过程步骤，不仅对于变压器而且对于串联扼流圈选择合适的级。这可以通过炉操作者的手动干涉、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熔化物的状态评估过程状态。这样可以主观观察炉状态和熔化过程。在关键情况中(例如防火部损坏)适配变压器级。

在自动控制时，根据当前的能量输入来适配变压器级并且必要时适配扼流圈级。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＝＝最高级)。在最后的阶段“液态池”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。在电弧被起泡的矿渣包裹之后，选择最高的电压级，以便实现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，为此调整出最大的高电流，以便确保高能量输入。

以上提到的预先规定(尤其是在手动和自动控制时)只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)反应。

关于炉变压器中的分接开关和扼流线圈，高的切换频率按照顾客的各种切换策略而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。

因为在分接开关中的维修工作通常意味着高的花费并且特别是昂贵的生产中断，所以对于操作者完全值得期望的是，延长维修间隔，以便尽可能减少分接开关的维修费用。

此外通过经常的切换过程产生附加的、例如呈“闪烁”形式的电网反作用，而其必须以非常耗费且昂贵的方式(例如SVC设备)减少。

发明内容

本发明的任务是，提供一种用于减少在电弧炉运行中的电网反作用的装置，该装置是低成本的以及以短的反应时间可靠地减少或除去电网反作用。

该任务通过一种用于减少在电弧炉运行中的电网反作用的装置解决。

本发明的另一个任务是，提供一种用于减少在电弧炉运行中的电网反作用的方法，该方法是低成本的并且以短的反应时间可靠地除去电网反作用。

该任务通过一种用于减少在电弧炉运行中的电网反作用的方法解决。

按照本发明的用于减少在电弧炉运行中的电网反作用的装置的特征在于，半导体分接开关配置给炉变压器，其中，通过合适地选择炉变压器的初级侧的级而能够利用预设电气参量调整在每个线路中的理论电流。

利用所述半导体分接开关可以通过半导体分接开关的相应的和确定的理论位置而切换到理论绕组抽头上。

按照本发明的方法的特征在于：

·在每个线路中对于炉变压器的次级侧的每个外导线实施电流和电压测量；

·对于每个线路计算当前的实际电气参量；

·对于每个线路计算理论外导体电压，以致利用给定的电气参量可以调整在每个线路中的理论电流；

·这样选择在炉变压器的初级侧的三个绕组抽头，使得基本上实现预设的外导体电压；

·根据所要求的理论外导体电压而选择在炉变压器的初级侧上的要调整的绕组抽头；并且

·对于电弧炉的所有线路利用半导体分接开关基于初级侧的要调整的绕组抽头分开地进行炉变压器的功率调节，其中，半导体分接开关切换到对应的理论位置上。

由在炉变压器的初级侧上的当前的绕组抽头和炉变压器的初级侧的各绕组抽头的差之间的差得出要调整的绕组抽头。

关于变压器级的当前的绕组抽头的中心位置或上限考虑上级的过程引导系统的规定。

用于利用半导体分接开关在炉变压器的初级侧上调整绕组抽头的循环时间在10ms的范围中。

实际电气参量例如是阻抗或导纳。

在电弧炉运行期间产生不同的电网反作用。电网反作用的重要元素是所谓的闪烁。借助快速的半导体分接开关(或固态分接开关)可以立即对在过程期间出现的快速电压波动反应并且因此实现闪烁的显著减少。在电弧炉运行中使闪烁减少的高成本的附加电路和/或运行器件可以通过使用半导体分接开关而避免。

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参照下文的说明和附图可被较好地理解，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。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；以及

图3对电弧炉进行调节的流程图的示意图，以便减少在电弧炉运行中的电网反作用。

具体实施方式

尽管本发明的后续说明在电气参量方面涉及阻抗，但这不应该理解为本发明的限制。

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，废钢在该炉容器中熔化并且熔体3产生。炉容器11还可以设有盖(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。在三相电弧炉10中使用三个电极4。后续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)作为电弧炉10的内壁13的衬里被添加。

电极4安装在保持臂(未示出)上并且可以在需要时放入炉容器11中。每个所述电极4都装备有一个外导线5，各外导线全部与炉变压器6的次级侧6S连接。因此外导线5、电极4和电弧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在初级侧6P上的绕组抽头T_S1，...，T_SN，使得出现对应的外导体电压U_ist12、U_ist23和U_ist31，从而各线路7被供应以对应的理论电流I_s1、I_s2和I_s3。作为结果，在各线路7中出现预先确定的阻抗Z_SOLL1、Z_SOLL2和Z_SOLL3。炉变压器6的初级侧6P具有多个绕组抽头T_S1，...，T_SN，其由半导体分接开关20的半导体开关元件S₁，...，S_N接通。控制和调节单元30从配置给电弧炉10的各线路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由输入数据确定半导体分接开关20的切换过程，从而所述半导体分接开关切换到对应的理论位置S_SOLL1、S_SOLL2和S_SOLL3上并且因此接通在炉变压器的初级侧6P上的要调整的绕组抽头T_SOLL1、T_SOLL2和T_SOLL3，从而调整在各线路7或一个特定的线路7中的电流。

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。电流波动可以借助按照本发明的快速半导体分接开关10而显著减少。

图2示出在熔化过程的初始阶段中将对电弧炉10的调节结合到对电弧炉10的总调节22中的示意图。电弧炉10的总调节最终通过半导体分接开关20实现。上级的过程引导系统24以在1秒范围内的周期时间工作。闪烁调节28以在10毫秒范围内的周期时间工作。用于每个所述调节的周期时间对应于相应调节的重复率。作为测量的结果，则可以借助半导体分接开关20转换到在炉变压器6的初级侧6P上的相关绕组抽头T_S1...T_SN上，借此对电弧炉10进行必要调节，以便最小化电流波动。

图3是对电弧炉10进行调节的流程图的示意图，以便避免或减少在电弧炉10运行中的电网反作用。在第一步骤31中是对于每个从炉变压器6的次级侧6S引导至电极4的外导线5进行电流和电压测量。因此在每个线路7中进行所述电流和电压测量。

在第二步骤32中对于每个线路7计算当前的阻抗Z_ist1、Z_ist2和Z_ist3。在下一步骤33中计算三个外导体电压U_ist12、U_ist23和U_ist31，以致利用给定的实际阻抗Z_ist1、Ζ_ist2、Z_ist3可以调整在每个线路7中的理论电流I_s1、I_s2、I_s3。按照第四步骤34，对于每个线路7这样选择炉变压器6的初级侧6P的各绕组抽头的差ΔT_S1、ΔT_S2和ΔT_S3，使得所测量的电流和电压的波动只在规定的波动幅度外被考虑。由此在最后的步骤35中对于每个线路7得出在炉变压器6的初级侧6P上的要调整的绕组抽头T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3。要调整的绕组抽头T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3由在炉变压器6的初级侧6P上的当前的级T_A1、T_A2和T_A3和在炉变压器6的初级侧6P上的各绕组抽头的差ΔT_S1、ΔT_S2和ΔT_S3之间的差来计算，以便使每个线路中的闪烁减少。半导体分接开关20允许快速调整所需的绕组抽头T_SOLL1、T_SOLL2或T_SOLL3并且这跨越多个绕组抽头。此外利用半导体分接开关20可以重新设定炉变压器6的初级侧6P上的要调整的绕组抽头T_SOLL1、T_SOLL2或T_SOLL3。

只有按照本发明使用半导体分接开关20，用于调整在炉变压器8的初级侧6P上的必要的绕组抽头T_SOLL1、T_SOLL2和T_SOLL3的循环时间才可以在10ms的范围中。

本发明利用两个实施形式进行说明。然而对于本领域技术人员理所当然的是可以对本发明进行改变和变型，而不会在此背离所附权利要求的保护范围。

附图标记列表

数字 名称

1 系统

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

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

28 闪烁调节

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

E_ist1、E_ist2、E_ist3 实际电气参量

E_SOLL1、E_SOLL2、E_SOLL3 给定的电气参量

I_ist1、I_ist2、I_ist3 测量的电流

I_s1、I_s2、I_s3 理论电流

T_S1…T_SN 绕组抽头、变压器级

T_A1、T_A2、T_A3 当前的绕组抽头

T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3 要调整的绕组抽头

ΔT_S1、ΔT_S2、ΔT_S3 绕组抽头的差

S₁…S_N 半导体开关元件

S_SOLL1、S_SOLL2、S_SOLL3 理论位置

U_ist12、U_ist23、U_ist31 外导体电压

U_SOLL12、U_SOLL23、U_SOLL31 理论外导体电压

Z_SOLL1、Z_SOLL2、Z_SOLL3 预先确定的阻抗

Z_ist 当前的阻抗

Claims (7)

1.一种用于减少在电弧炉(10)运行中的电网反作用的装置，包括：

三个线路(7)，各线路分别具有一个电极(4)和一个用于供应电能的配置的外导线(5)；

在每个线路(7)中的用于测量当前流过的电流的传感器(15)和用于测量当前存在的电压的传感器(16)；

控制和调节单元(30)，利用该控制和调节单元对于每个线路(7)由所测量的电流(I_ist1、I_ist2、I_ist3)和当前存在的电压能够计算实际电气参量(E_ist1、E_ist2、E_ist3)并且由此能够计算合适的外导体电压(U_SOLL12、U_SOLL23、U_SOLL31)，

其特征在于，半导体分接开关(20)配置给炉变压器(6)，通过合适地选择炉变压器(6)的初级侧(P)的三个理论绕组抽头(T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3)而能够根据给定的电气参量(E_SOLL1、E_SOLL2、E_SOLL3)调整在每个线路(7)中的理论电流(I_S1、I_S2、I_S3)；并且上级的过程引导系统(24)与理论电流(I_S1、I_S2、I_S3)的调整分开地对于电弧炉(10)的所有线路(7)利用半导体分接开关(20)基于初级侧(6P)的要调整的绕组抽头(T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3)进行炉变压器(6)的功率调节。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，利用半导体分接开关(20)能够通过半导体分接开关(20)的相应的理论位置(S_SOLL1、S_SOLL2、S_SOLL3)切换理论绕组抽头(T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3)。

3.一种用于减少在电弧炉(10)运行中的电网反作用的方法，其特征在于如下步骤：

·在每个线路(7)中对炉变压器(6)的次级侧(6S)的每个外导线(5)实施电流和电压测量；

·对于每个线路(7)计算当前的实际电气参量(E_ist1、E_ist2、E_ist3)；

·对于每个线路(7)计算理论外导体电压(U_SOLL12、U_SOLL23、U_SOLL31)，以致根据给定的电气参量(E_SOLL1、E_SOLL2、E_SOLL3)调整在每个线路(7)中的理论电流(I_S1、I_S2、I_S3)；

·根据所要求的理论外导体电压(U_SOLL12、U_SOLL23、U_SOLL31)选择在炉变压器(6)的初级侧(6P)上的要调整的绕组抽头(T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3)；

·对于电弧炉(10)的所有线路(7)利用半导体分接开关(20)基于初级侧(6P)的要调整的绕组抽头(T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3)进行炉变压器(6)的功率调节，其中，半导体分接开关(20)切换到相应的理论位置(S_SOLL1、S_SOLL2、S_SOLL3)上；

·所述功率调节与理论电流(I_S1、I_S2、I_S3)的调整分开。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，用于利用半导体分接开关(20)在炉变压器(6)的初级侧(6P)上调整绕组抽头(T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3)的周期时间在10ms的范围中。

5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，由在炉变压器(6)的初级侧(6P)上的当前的绕组抽头(T_A1、T_A2、T_A3)和炉变压器(6)的初级侧(6P)的各绕组抽头的差(ΔT_S1，ΔΤ_S2，ΔΤ_S3)之间的差得出要调整的绕组抽头(T_SOLL1、T_SOLL2、T_SOLL3)。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，利用上级的过程引导系统考虑变压器级的当前的绕组抽头(T_A1、T_A2、T_A3)的中心位置或上限。

7.按照权利要求3至6之一所述的方法，其特征在于，实际电气参量(E_ist)是阻抗(Z)或导纳(Y)。