CN109792811B - 次级电路中的具有电容器装置的变流器馈电式电弧炉 - Google Patents

Abstract

用于利用交流电运行的电弧炉（1）的电气装置具有变流器（2），所述变流器将供电电网（3）的具有电网频率（f）的电网电压（U）转换成具有炉频率（f'）的初级电压（U'）。电气装置的炉变压器（4）将初级电压（U'）变换成次级电压（U"）。次级电压（U"）被输送给电弧炉（1）的多个电极（6）。电极（6）布置在电弧炉（1）的炉容器（8）中。所述电极（6）给位于炉容器（8）中的熔炼炉料（9）施加电弧（10）。此外将次级电压（U"）输送给布置在炉变压器（4）的输出侧的电容器装置（7），炉变压器（4）在输出侧与所述电容器装置连接。变流器（2）由控制装置（5）控制，使得从变流器（2）发出给炉变压器（4）的初级电压（U'）具有炉频率（f'），所述炉频率至少是电网频率（f）的十倍和/或大于1 kHz。

Description

次级电路中的具有电容器装置的变流器馈电式电弧炉

技术领域

本发明涉及一种用于利用交流电运行的电弧炉的电气装置，

-其中所述电气装置具有变流器、炉变压器、多个电极以及电容器装置，

-其中所述电极布置在所述电弧炉的炉容器中，使得所述电极给位于所述炉容器中的熔炼炉料施加电弧，

-其中所述变流器在输入侧与具有电网频率和电网电压的供电电网连接并且在输出侧与所述炉变压器连接，

-其中所述炉变压器在输入侧与所述变流器连接并且在输出侧与所述电弧炉的电极连接，

-其中所述变流器由控制装置控制，使得从所述变流器发出给所述炉变压器的初级电压具有炉频率。

本发明此外涉及一种用于利用交流电运行的电弧炉的运行方法，

-其中变流器由控制装置控制，使得所述变流器将供电电网的具有电网频率的电网电压转换成具有炉频率的初级电压，

-其中将所述初级电压输送给所述炉变压器，所述炉变压器将所述初级电压变换成次级电压，

-其中将所述次级电压输送给所述电弧炉的布置在所述电弧炉的炉容器中的多个电极，使得所述电极给位于所述炉容器中的熔炼炉料施加电弧。

背景技术

这样的电气装置和所属的运行方法例如由DE 10 2008 049 610 A1或对应的US 8933 378 B2已知。在已知的电气装置情况下，在炉变压器的次级侧仅仅布置电极。可能的无功功率补偿器和/或电容器装置要么布置在供电电网和变流器之间要么布置在变流器和炉变压器之间。

由WO 97/49157 A1也已知一种用于电弧炉的电气装置。在该布置情况下，存在电容器装置，所述电容器装置（与受控制的无功功率补偿器和电容与电感的多个串联电路一样）与电弧炉并联地连接。所提到的、并联地连接的部件通过变压器连接到供电电网上。电容和各一个电容与一个电感的串联电路表示滤波器电路，所述滤波器电路与电网频率的整数倍或非整数倍相协调。关于电弧炉的内部结构，从WO 97/49157 A1中不能得悉什么。尤其不能从WO 97/49157 A1得悉：WO 97/49157 A1的变压器是否是炉变压器。

由DE 30 25 466 A1已知一种电弧炉，所述电弧炉具有多个电极，所述多个电极通过变压器直接从三相交流电网被馈电。在变压器的次级侧上布置有电容器，所述电容器可以通过开关元件被切换。

由DE 949 425 C已知一种三相交流电弧炉，其中，所述电弧炉的电极通过变压器直接从供电电网被馈电。在变压器的次级侧上布置有电容器。

由US 6 687 284 Bl已知一种电弧炉，所述电弧炉通过炉变压器从三相交流电网以电网频率被馈电。附加地存在HF发生器，所述HF发生器使HF电流与从炉变压器发出的电流叠加。HF变压器可以排在HF发生器之后。在炉变压器和电极之间尤其布置有电容器，所述电容器与从炉变压器至电极的线路的线路电容结合地关于HF频率在谐振中运行。

由DE 867 267 C已知，除了电极电流之外，使更高频率的初始电流与电弧炉的以三相交流电运行的电极装置叠加。初始电流通过电容器被引导给电极。用于生成初始电流的高频电流源通过变压器被供以能量。

电弧炉、尤其三相交流电弧炉被用于熔化固体填料（Einsatzmaterial）（=熔炼炉料）。为此，通过多个石墨电极将电能以电弧的形式引入到炉容器中。石墨电极的数目与馈电电压对应。在常见三相的三相交流电弧炉情况下，因此存在三个电极，在以直流电馈电的电弧炉情况下存在一个唯一的电极。为了给该电极供应电能，借助于炉变压器将供电电网的中压或高压（大多在10kV和40kV之间，在单独情况下也至100kV或110kV）在电网频率（50Hz或60Hz）的情况下降压变换成低压（大多几百伏，在单独情况下略微高于1kV、最大2kV）并且输送给电极。电极将按需求以机械方式向上和向下移动，以便点燃电弧并且然后通过电极和填料或熔炼炉料之间的间隔来调节电弧电压、电流和因此从而调节耦合输入的功率。

尤其是在考虑强电流系统在炉变压器的次级侧上直至石墨电极出现的自感和互感的情况下进行对电弧炉的带电元件的构造。通常尝试，实现这些构件在电网频率情况下在约3毫欧姆的范围中的短路电抗。在该范围中，一方面，在炉容器中在运行上的短路情况下最大可能的电流受限制。另一方面，在电弧截断的情况下以电压升高的形式给电感提供在电磁场中存储的能量。这有利于电弧的再点火。两个效应对于电弧炉的过程控制（Prozessführung）是有利的。它们尤其是有利于电能量引入。

由于上面描述的电抗，电弧炉的功率消耗通过高的无功功率分量来表征。炉分支的功率因子的典型值位于约0.8的范围内。在具有100 MVA的视在功率和83 MW的有效功率项的变压器情况下，由此得出在大约56 MVAr范围内的无功功率。由此在电能量输送时产生较高的损耗。此外，必须将电运行装置的相应较高的电流承载能力列入计划。此外，以不利的方式通常产生馈电供电电网中的用电设备对电网的反作用、尤其是闪变。通常在能量供应侧关于最小允许的功率因子也存在限制，使得为了维持功率因子，需要无功功率补偿。

电弧炉的运行通常利用电路中的足够大的电感来进行。这引起：电流足够远地追赶（nacheilt）。由此，在电流过零点，电压已经足够大，以便维持通过电流。然而，这相反地导致，仅仅直至特定的功率因子能够运行电弧炉。因此得出高的无功功率。因此不能够最佳地利用电运行装置。

根据DE 10 2008 049 610 A1的操作方法相对于该操作方法已经是进步。尤其可以以与供电电网的电网频率无关地选择的频率来运行所述电弧炉。然而，根据DE 10 2008049 610 A1的操作方法也还是能改善的。

发明内容

本发明的任务在于，实现以下可能性：借助所述可能性一方面可以优化电弧炉的运行，尤其可以最大化电弧的稳定性。另一方面应当最小化用于运行电弧炉所需的部件的成本。

所述任务通过具有权利要求1的特征的电气装置来解决。所述电气装置的有利构型是从属权利要求2至5的主题。

根据本发明，通过以下方式构成开头提到的类型的电气装置：炉变压器在输出侧不仅与电弧炉的电极连接，而且与电容器装置连接。因此，与现有技术的通常常见的操作方法不同，电容器装置不是布置在炉变压器的初级侧或者甚至还进一步朝向供电电网布置，而是布置在炉变压器的次级侧。此外，变流器通过控制装置的控制如此进行，使得炉频率至少是电网频率的十倍和/或大于1 kHz。

通过该构型，一方面实现：既不在所述供电电网和所述变流器之间也不在所述变流器和所述炉变压器之间也不在所述炉变压器的输出侧必须存在受控制的无功功率补偿器。因此不需要继续的无功功率补偿。相反地可能的是，如此调节通过变流器的馈电，使得将由一方面电弧炉的电极和另一方面电容器装置构成的电振荡回路激励成谐振。

可以尤其如此高地选择炉频率，使得所述炉频率远在通常50Hz或60Hz的电网频率之上。出于该原因，优选地，炉变压器被构造为中频变压器。

电容器装置可以按需求地来构造。电容器装置的电容器尤其可以与电弧炉的电极并联地和/或串联地连接。

所述任务此外通过具有权利要求6的特征的运行方法来解决。所述运行方法的有利的构型是从属权利要求7至10的主题。

根据本发明，将次级电压不仅输送给电极，而且此外也输送给布置在炉变压器的输出侧的电容器装置。此外，炉频率至少是电网频率的十倍和/或大于1 kHz。

类似于电气装置地，由此能够实现：既不在所述供电电网和所述变流器之间也不在所述变流器和所述炉变压器之间也不在所述炉变压器的输出侧进行受控制的无功功率补偿。

优选地，炉频率不仅显著大于电网频率，而且甚至大于3 kHz。例如，炉频率可以位于5 kHz和15 kHz之间。但是，炉频率也可以具有例如直至20 kHz、直至30 kHz、直至50 kHz的还要更高的值并且在很少的情况下也具有直至100 kHz的还要更高的值。炉频率在此情况下是基本频率，以该基本频率对电极馈电。炉频率因此不是谐波。

炉频率可以尤其如此选择，使得该炉频率位于通过所述电弧炉的电极的电感和所述电容器装置构成的电振荡回路的谐振范围中。

电容器装置的电容器可以如已经提到的那样按需求地与电弧炉的电极并联地和/或串联地连接。

附图说明

本发明的上面描述的特性、特征和优点以及如何实现它们的方式和方法与结合附图更详细地阐述的实施例的以下描述相关联地变得更清晰和更明显地可理解。在此情况下，以示意图：

图1示出电气装置和电弧炉；

图2示出频率图；

图3示出可能的电容器装置；以及

图4示出另一可能的电容器装置。

具体实施方式

根据图1，用于电弧炉1的电气装置具有变流器2。变流器2在输入侧与供电电网3连接并且在输出侧与炉变压器4连接。变流器2将供电电网3的电网电压U转换成初级电压U'中。供电电网3通常是三相交流电网。电网电压U通常大于10kV。例如，该电网电压可以处于30kV或33kV处。变流器2可以例如构造为中间电路变流器。变流器2的一种可能的构型尤其可以以与在DE 10 2008 049 610 A1中阐述的相同的方式和方法来实现。然而，变流器2的其他构型也是可能的。

电网电压U具有通常50Hz或60Hz的电网频率f。初级电压U'小于电网电压U。然而，初级电压U'经常仅仅略微小于电网电压U。例如，所述初级电压可以位于电网电压U的70%和100%之间的范围中。然而，初级电压U'具有炉频率f'，所述炉频率可以与电网频率f无关地来选择。炉频率f'尤其可以显著大于电网频率f，例如至少十倍大。炉频率f'可以甚至大于1kHz，尤其大于3 kHz。炉频率f'的优选范围位于5 kHz和15 kHz之间。然而，直至100 kHz的更大频率也是可能的。对于初级电压U'，可以由控制装置5为电弧炉1确定相应的额定值U*。用于炉频率f'的额定值f*可以固定地预给定，从外部被预给定给控制装置5或者由控制装置5确定。基于额定值U*、f*，可以由控制装置5进行变流器2的相应控制。因此可能的是，将初级电压U'作为用于电弧炉1的调节参量来使用。

基于高的炉频率f'，炉变压器4优选地被构造为中频变压器。

初级电压U'在输入侧被输送给炉变压器4。炉变压器4将初级电压U'变换成次级电压U"。次级电压U"小于初级电压U'。次级电压U"大多位于几百伏的范围中、有时略微高于此。在个别情况下，至稍微高于1kV、然而最大2k的值是可能的。然而，与次级电压U"的具体值无关地，次级电压U"也具有炉频率f'。

在输出侧，炉变压器4与电弧炉1的多个电极6以及电容器装置7连接。在交流电弧炉的很少的情况下，要么存在两个电极6要么存在单个电极6和接地阳极。在三相交流电弧炉的常见情况下，所述数目处于至少三个、通常处于恰恰三个。然而与电极6的数目无关地，以交流电运行电弧炉1。电极6布置在电弧炉1的炉容器8中。电极6给位于炉容器8中的熔炼炉料9施加电弧10。次级电压U"不仅被输送给电极6而且被输送给电容器装置7。

在各种情况下，电极6的能量供应仅仅通过变流器2和炉变压器4进行。因此不另外给电极6施加具有必要时不同的频率的不同其他电压和电流。即使在个别情况下应当进行对电极6的附加的另外施加，但是该附加的施加仅仅是输送给电极6的电能的小部分（远低于10%，大多甚至最大1%）。因此在这种情况下，也通过变流器2和炉变压器4给电极6输送最大份额（Löwenanteil）的能量。

除了电容器装置7之外，不需要另外的无功功率补偿。因此，优选地，既不在所述供电电网3和所述变流器2之间也不在所述变流器2和所述炉变压器4之间也不在所述炉变压器4的输出侧存在受控制的无功功率补偿器。这尤其适用于TCR（=thyristor controlledreactor：晶闸管控制电抗器）。通常，也不存在不受控制的滤波器电路。然而如果应当存在不受控制的滤波器电路，则所述不受控制的滤波器电路优选布置在变流器2之前并且根据（auf）电网频率f的谐波来设计。

电弧炉1的电极6和电容器装置7由于电极6的电感L和电容器装置7的电容C而构成电振荡回路。该电振荡回路具有谐振频率fR，该谐振频率通过以下关系来给定：

（1）

如已经提到的那样，炉频率f'显著大于电网频率f。根据图2中的图示，炉频率f'可以位于电振荡回路的谐振范围中。尤其以下关系可以适用：

（2）

α是至少0.3的值。α大多位于0.5和0.9之间的范围中。α尤其可以处于大约0.7处。ß是最大3.3的值。ß大多位于1.1和2.0之间。ß尤其可以处于大约1.4处。此外，ß（至少约10%准确地）可以是α的倒数。

电容器装置7的确切构型可以是按需求的。例如，电容器装置7根据图3中的图示可以具有电容器11，所述电容器布置在至电极6本身的线路中，即与电弧炉1的电极6串联地连接。可替代地，电容器装置7根据图4中的图示可以具有电容器12、13，借助于所述电容器，至电极6的线路相互连接和/或与共同的星形结点连接。星形结点可以接地，但不是必须接地。在这种情况下，电容器12、13与电弧炉1的电极6并联地连接。这样的布置的组合也是可能的。

本发明具有许多优点。由于高的炉频率f'，尤其可以确保电弧在扩展的工作范围上的稳定性。由于不受控制的过电压引起的内部飞弧的概率也被最小化。此外，所应用的电部件不仅在其结构尺寸方面而且在其电标称值（电容和电感）方面可以较小地来确定尺寸。布置在炉变压器4的次级侧的电容器装置7使得能够将功率因子调节为0.95和更多的值，在理想情况下调节为0.98和更多的值。高的炉频率f'此外使得能够非常快速地、在毫秒范围内跟踪初级电压U'的额定值U*并且在该时间范围内再调整初级电压U'。在炉变压器4的初级侧上的分接开关由此不再是需要的。此外可以改变初级电压U'。减小闪变。也可以减小炉变压器4的结构尺寸。可以减小能量消耗。维护成本也减小。

尽管在细节上通过优选的实施例更详细地图解和描述了本发明，但本发明不从而受所公开的示例限制，并且由本领域技术人员可以由此导出其他的变型，而不离开本发明的保护范围。

附图标记列表

1 电弧炉

2 变流器

3 供电电网

4 炉变压器

5 控制装置

6 电极

7 电容器装置

8 炉容器

9 熔炼炉料

10 电弧

11至13 电容器

C 电容

f 电网频率

f' 炉频率

fR 谐振频率

f* 炉频率的额定值

L 电感

U 电网电压

U' 初级电压

U" 次级电压

U* 初级电压的额定值

α，β 值。

Claims (10)

1.一种用于利用交流电运行的电弧炉（1）的电气装置，

-其中所述电气装置具有变流器（2）、炉变压器（4）、多个电极（6）以及电容器装置（7），

-其中所述电极（6）布置在所述电弧炉（1）的炉容器（8）中，使得所述电极给位于所述炉容器（8）中的熔炼炉料（9）施加电弧（10），

-其中所述变流器（2）在输入侧与具有电网频率（f）和电网电压（U）的供电电网（3）连接并且在输出侧与所述炉变压器（4）连接，

-其中所述炉变压器（4）将由所述变流器（2）输送给所述炉变压器（4）的初级电压（U'）降压变换成输送给所述电极（6）的次级电压（U"），

-其中所述炉变压器（4）在输入侧与所述变流器（2）连接并且在输出侧与所述电弧炉（1）的电极（6）和所述电容器装置（7）连接，

-其中所述变流器（2）由控制装置（5）控制，使得从所述变流器（2）发出给所述炉变压器（4）的初级电压（U'）具有炉频率（f'），所述炉频率至少是所述电网频率（f）的十倍和/或大于1 kHz，

-其中所述炉频率（f'）是基本频率，以所述基本频率对所述电极（6）馈电。

2.根据权利要求1所述的电气装置，其特征在于，既不在所述供电电网（3）和所述变流器（2）之间也不在所述变流器（2）和所述炉变压器（4）之间也不在所述炉变压器（4）的输出侧存在受控制的无功功率补偿器。

3.根据权利要求1或2所述的电气装置，其特征在于，所述炉变压器（4）被构造为中频变压器。

4.根据权利要求1或2所述的电气装置，其特征在于，所述电容器装置（7）具有电容器（11至13），所述电容器与所述电弧炉（1）的电极（6）并联地和/或串联地连接。

5.根据权利要求1或2所述的电气装置，其特征在于，所述炉频率（f'）位于通过所述电弧炉（1）的电极（6）的电感（L）和所述电容器装置（7）构成的电振荡回路的谐振范围中。

6.一种用于利用交流电运行的电弧炉（1）的运行方法，

-其中变流器（2）由控制装置（5）控制，使得所述变流器（2）将供电电网（3）的具有电网频率（f）的电网电压（U）转换成具有炉频率（f'）的初级电压（U'），

-其中所述炉频率（f'）至少是所述电网频率（f）的十倍和/或大于1 kHz，

-其中将所述初级电压（U'）输送给炉变压器（4），所述炉变压器将所述初级电压（U'）降压变换成最大2 kV的次级电压（U"），

-其中将所述次级电压（U"）输送给所述电弧炉（1）的布置在所述电弧炉（1）的炉容器（8）中的多个电极（6），使得所述电极（6）给位于所述炉容器（8）中的熔炼炉料（9）施加电弧（10），

-其中此外将所述次级电压（U"）输送给布置在所述炉变压器（4）的输出侧的电容器装置（7），

-其中所述炉频率（f'）是基本频率，以所述基本频率对所述电极（6）馈电。

7.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于，既不在所述供电电网（3）和所述变流器（2）之间也不在所述变流器（2）和所述炉变压器（4）之间也不在所述炉变压器（4）的输出侧进行受控制的无功功率补偿。

8.根据权利要求6或7所述的运行方法，其特征在于，所述炉频率（f'）大于3 kHz。

9.根据权利要求6或7所述的运行方法，其特征在于，所述炉频率（f'）位于通过所述电弧炉（1）的电极（6）的电感（L）和所述电容器装置（7）构成的电振荡回路的谐振范围中。

10.根据权利要求6或7所述的运行方法，其特征在于，所述电容器装置（7）具有电容器（11至13），所述电容器与所述电弧炉（1）的电极（6）并联地和/或串联地连接。

Images