CN1502217A - 用于交流电弧炉的功率控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于AC电弧炉的功率控制系统。该控制系统包括位于炉电源和高度可调的电弧电极之间的可变电抗器。该控制系统监控表示炉有功功率消耗的炉工作特性并调节可变电抗器和电极高度，以求最小化有功功率消耗的变化。电极电弧损失可以预测并通过降低电极和减小可变电抗器的电抗来抵消。

Description

用于交流电弧炉的功率控制系统
发明领域
本发明总体上涉及电弧炉，尤其涉及用于这种炉中功率控制的装置和方法。
背景技术
交流(AC)电弧炉通常用于熔化或熔解固体物质，如金属或含矿物质。这种炉通常使用高功率电弧在耐火补里容器中产生热能，并包括用来控制提供给电弧的电能的电源。高功率电弧是一种表现为非线性时变阻抗的能量转换机制。因此，由电弧炉吸收的电压、电流和功率有波动的趋势，这对熔化/熔解过程和供电网络都会造成干扰。这些干扰会导致效率低、增加的设备损耗，在极端情况下还会使供电网络或电弧炉受到破坏。
已经进行了各种尝试来控制电弧炉的电源。例如，在一些电弧炉中，使用固定的串联电抗器在电弧稳定性方面提供适度的改进。静态有功补偿器(SWC)，包括一个并联闸流晶体管开关电阻组，已经用于减小甩负荷。为了保持定点的电极电压、电流或阻抗，控制电弧电极移动的电极调节器已经用于调节电弧电极的相对位置。
有些控制系统主要是针对稳定电弧炉中的电压。例如，静态无功补偿器(SVC)包括一个并联谐波滤波器组和一个并联闸流晶体管控制的电抗器，它们一起工作来降低电压波动或保持恒定的炉功率因子。SVC通过电容性或电感性无功功率的并联注入来工作，从而通过保持炉总体无功功率吸收(MVAR)在近零处平衡(即，既不是电感性也不是电容性)来保持恒定的电压。
其它控制系统主要是针对稳定电弧炉中的电流。例如，在1993年8月24日授予Gensini等人的美国专利No.5,239,554公开了通过使用可控串联电抗，包括一个串联的饱和电抗器或一个串联的闸流晶体管开关电抗器，来调节电弧电流。在1999年11月23日授予Kojori的美国专利No.5,991,327公开了一种利用预测软件选通与电弧串联安装的闸流晶体管组件来抑制引起电压波动的电流波动的控制器。
由于功率是电压和电流的乘积(P＝Vrms*Irms*功率因子)，为稳定电流或电压而工作的电弧炉电源允许电弧炉的功率吸收大范围地波动。在较大的炉中，有功功率的吸收可以在短时间内改变几十兆瓦特(MW)。在世界上许多工业区，弧岛发电站(与生活用高压输电线路网隔离)向相对较大的电弧炉提供动力。炉的功率波动会导致旋转发电装置，例如可以是蒸汽轮机、柴油机动力活塞或水动涡轮机，中的频率/速度波动。对于频率波动，发电装置有可以被吸收而不引起机械损伤的上下限。超出这些限值，将发生机械和电损伤。此外，即使没有立即发生损伤，正在发生的功率和频率波动也会对发电站造成增加的磨损和损坏。到目前为止，通过在发电站安装用于释放水或蒸汽的旁路阀门(在水或蒸汽轮机的情况下)，已经对这些频率波动进行了补偿，这增加了抑制频率波动的额外旋转惯性，并大大增加了发电站的规模。这种解决方案是昂贵且低效的。
电炉中稳定的恒定功率为平稳加入原料提供功率的精确平衡，这又能通过有效的传热最大化炉的能量效率，从而有助于实现高炉吞吐水平。因此，需要一种用于电弧炉的高效低成本功率控制系统。还需要一种减小电弧炉中功率波动幅度和频率的功率控制系统。
发明概述
根据本发明，用于电弧炉的电源控制系统使用可变电抗器控制和电极高度调节来调节用于电弧炉的功率，从而减小有功功率的波动。总体而言，本发明的电弧炉控制系统通过选择一个与炉功率定点相等的炉变压器电压分接头来工作，以每周期为基础依次连续地调节可变电抗器来调节功率波动，以便计算电极阻抗的变化，并通过预测的电极高度调节来减小功率的下降和上升。
根据本发明的一方面，提供了一种用于AC电弧炉的功率控制系统，该电弧炉具有将电力施加到电弧电极的AC电源，其中该功率控制系统包括一个位于电源和电极之间的可变电抗器，一个监控该电极阻抗的可变电抗器控制器，该控制器还响应所监控电极阻抗的变化而引起可变电抗的变化，从而减小提供给电极的有功功率的变化。优选地，该功率控制系统包括一个用于调节电极高度的电极移动设备，及一个配置成预测电极电弧损失可能起始位置的电极位置控制器。如果预测到了电弧损失，则该电极位置控制器使得电极移动设备快速降低电极并使得可变电抗器控制器暂时减小可变电抗的大小。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于AC电弧炉的功率控制系统，该电弧炉具有将电力施加到电弧电极的AC电源，包括一个用于调节电极高度以便控制其电弧长度的电极移动设备，及一个控制电极移动设备工作的电极位置控制器，该位置控制器配置成监控电弧炉的工作特性以便预测多种不正常状态的起始位置，并响应特定的预测不正常状态而调节电极高度。
对本领域的普通技术人员而言，通过以下对本发明特定实施方案的描述并联系相应附图，本发明的其它方面和特点都将变得很明显。
附图简述
现在仅通过实例并参考相应附图对本发明实施方案进行描述，其中：
图1是根据本发明一种实施方案带电源的三电极电弧炉的示意图；
图2是用于图1电弧炉电源的功率控制系统的方框图；
图3是电弧炉一相在基频下的示意性电路模型；
图4是根据本发明另一种实施方案带电源的六电极电弧炉的示意图；及
图5是用于图4电弧炉电源的功率控制系统的方框图。
优选实施方案详述
参考图1，示出了一种具有代表性的三电极AC电弧炉。通过当地供电总线10向炉提供三相电。连接供电总线10是为了从当地发电站接收电力。该炉包括三个电极12，每个电极都同三个功率相中的一相关联。电极12连接到带分接头的炉变压器14的炉侧(二次绕组)。可变电抗器16和固定电抗器18的串联组合将炉变压器14电源侧(一次绕组)的各相连接到供电总线10的对应线路。在所说明的实施方案中，每个可变电抗器16都包括一个与电感线圈23和闸流晶体管开关22的串联组合并联的电感线圈20。每个闸流晶体管开关22都优选地包括一对彼此极性反向排列的闸流晶体管。电极12的电弧端位于炉容器24中，以便熔化或熔解加工原料。优选地，电极12安装成其高度可以调节。如在本领域中已知的，谐波滤波器组26连接到供电总线10，以便除去作为电弧处理和闸流晶体管开关操作结果发生的谐波失真。术语电抗器和电感线圈在这里是可以相互替换使用的。在整个附图中，相同的标号用来指相同的元件。
电弧炉需要有效的电弧能量传输来熔化(含铁原料)或熔解(不含铁原料)。在炉中，这是通过平衡原料进料模式或进料速率与电弧功率来实现的。平衡得越好，通过减小功率损耗获得的能量效率就越高，因为大部分能量都用于了熔化或熔解。电弧炉通常需要操作人员或监控计算机输入与原料进料速率匹配的期望功率定点值。在传统的利用现有控制方法的电弧炉中，实际的功率消耗关于期望的功率定点有相当大的波动。本发明电源的功能就是稳定电弧炉所使用的有功功率，以便改善电弧功率同原料进料速率的平衡，或者在批处理的情况下确保最大化从电弧到加工原料的热量传输。
参考图2，关于单电极12，示出了用于电弧炉的电源控制系统。本发明的控制系统优选地控制电弧炉的三个方面，即可变电抗器16的值、变压器14的分接头位置和电极12的高度调节。
首先来看控制炉变压器14的分接头位置，该电源控制系统优选地包括一个根据输入的期望功率定点设置分接头位置的分接头设置控制器46。特别地，设置了该分接头位置，就可以根据电弧炉的预定特性将向电极提供合适的电压，该电压使实际的功率消耗与功率定点大致相等。在操作中，分接头设置控制器46优选地执行以下步骤：
(a)计算所需工作电压；
(b)根据与每个分接头关联的预定(即，铭牌)电压值计算合适的变压器电压分接头；及
(c)将变压器分接头移动到计算出的分接头(加载或减载)。分接头设置控制器46可以包括一个检查例程来确保不会发生过大的分接头变化。一般地，为了确定所需工作电压，分接头设置控制器还需要输入期望的电极电流或期望的电极阻抗。在三电极电弧炉的情况下，当除期望的功率定点之外还提供期望的电极电流时，工作电压可以根据以下等式来确定：
A＝I2XP 2/(VP 4)
B＝2I2XPXS/(VP 2)-I
C＝P2/(9I2)+I2XS 2
V = - B ± B 2 - 4 AC 2 A 等式(1)
其中：
V＝所需工作电压(炉变压器的二次线-线电压)
I＝期望的电极电流(炉变压器的二次相电流)
XP＝从炉变压器到无限总线的全部一次电抗，包括炉变压器电抗
XS＝系统在炉容器中从炉变压器到熔池的全部二次电抗
P＝期望的功率定点
VP＝额定的一次线-线电压
在三电极炉的情况下，如果提供期望的电极阻抗Z而不是电极电流I，则电极电流I可以如下确定：
I = P 3 Z 2 - X S 2 ,
然后等式(1)可用于确定所需工作电压。
在所说明的实施方案中，当其接收到新的期望功率定点或新的期望电极电流或阻抗时，分接头设置控制器46同时操作变压器14的所有三相。期望的功率定点一般是由操作人员或监控计算机输入的值，而且如到达并通过炉的原料流速所需的，在整个生产流水线中是由操作人员或监控计算机改变的。将实际功率消耗与期望的功率定点平衡得越好，通常就越少需要操作人员或监控计算机对功率定点的调节。
现在来看对可变电抗器的控制，如图2所说明的，该可变电抗器控制系统优选地包括，对于三相中的每一相，用于测量可变电抗器16电源侧电压的第一变压器30、用于测量可变电抗器炉侧电压的第二变压器32、用于测量流到变压器14的主电流的变流器34和电抗器控制器28。电抗器控制器28从第一和第二变压器30和32、变流器34及期望的功率定点线路36接收信息，并根据对这些信息的计算控制可变电抗器16。在该实施方案中，三个可变电抗器中的每一个都是基本上彼此独立控制的，其中在此所述电抗器控制器28的功能是对每一相单独执行的。以下是对由电抗器控制器28对三个可变电抗器16中一个进行控制的描述。与其它两相关联的可变电抗器是以相似的方式被控制的。
电抗器控制器28通过调节闸流晶体管22的点弧角来控制可变电抗器16的电抗，由此增加或减小通过电感线圈20的电流。为了在存在电弧阻抗波动的情况下关于期望的功率定点调节电弧炉中的功率波动，根据从第一和第二变压器30、32及变流器34读到的实时电流和电压，电抗器控制器28选通闸流晶体管来改变电抗。优选地，闸流晶体管的选通是周期性地进行调节的，至少每个AC线电压半周期一次。如图2所说明的，电抗器控制器28包括一个确定可变电抗器16阻抗下游(即，炉侧)的下游阻抗计算模块38。特别地，该阻抗计算模块38从变流器34接收一个表示通过炉变压器14电源侧主电流的输入，并从变压器32接收一个表示可变电抗器炉侧电压波形的输入。根据这些电流和电压测量值，阻抗计算模块38确定可变电抗器炉侧的电阻(RL)和电抗(XL)，并将这些值输出到所需电抗计算模块40。炉侧电阻(RL)和电抗(XL)的变化表示在熔解或熔化过程中电极阻抗的变化。电抗计算模块40还从变压器30接收一个表示可变电抗器16电源侧电压(V)的信号和从定点输入线路36得到的期望的每相功率定点(P0)作为输入。根据这些输入，电抗计算模块40确定为了使实际炉功率沿期望炉功率定点进行的可变电抗器设想的所需电抗(XREQ)值。在所说明的实施方案中，在存在电弧电阻波动情况下保持功率定点(P0)所需的电抗是根据以下等式计算的：
X REQ = ( R L V 2 P 0 - R L 2 ) - X L 等式(2)
等式(2)是基于如图3所示简化的电弧炉每相电流表示。在实际当中，根据其计算所需电抗的电路模型依赖于目标电弧炉的独特配置和特性。
电抗器控制器28还包括接收三个输入，即由电抗模块40计算的所需电抗(XREQ)、由下游阻抗计算模块38确定的可变电抗器16炉侧电抗(XL)和电阻(RL)，的选通角计算模块42。根据这些输入，选通角计算模块42为闸流晶体管22确定获得所计算的所需电抗的合适点弧角。在一种优选实施方案中，模块42通过访问一个存储的查找表来确定点弧角，该查找表是根据目标电弧炉的独特特性预先确定的。在所说明的实施方案中，该查找表的值可以通过执行以下步骤预先确定：
a)以预定增量为炉侧电抗(XL)和电阻(RL)确定可能的值；
b)对于炉侧电抗(XL)和电阻(RL)的每个可能值，根据并联电感线圈20和系统线电压的设计值，为每个0到180度之间的闸流晶体管选通角计算稳态负载电流波形；
c)对于每个稳态负载电流，计算电流基频成分，并通过获得系统线电压与基波电流之比来计算总基波电抗；
d)对于每个计算出的总基波电抗，通过从总基波电抗中减去炉侧电抗(XL)来确定可变电抗器的所需电抗值(XREQ)；及
e)将结果列成表，从而可以为所需电抗值(XREQ)、炉侧电抗(XL)和炉侧电阻(RL)的每种可能组合确定所需的选通角。
应当理解，选通角可以在选通角计算模块42中利用除参考预定查找表之外的方法进行计算，但是假如考虑选通角计算的计算密集性和重复性，查找表还是提供了合理有效的解决方案。此外，可以用其它方法来计算包括在查找表中的值，而且依赖于目标电弧炉的具体配置可以考虑其它变量。
电抗器控制器28还包括一个选通脉冲发生模块44，它接收由选通角计算模块42确定的选通角和来自变压器30的线电压信号作为输入。该脉冲发生模块44包括一个脉冲选通发生器，将闸流晶体管22的选通角调节到等于由选通角计算模块42确定的选通角。在所说明的实施方案中，脉冲发生模块配置成每半个AC电压周期更新一次闸流晶体管的选通角，而且在这方面，为了控制闸流晶体管选通角更新的时间选择，还包括一个监控通过变压器30的线电压的过零检测器。类似地，在这种实施方案中，所需电抗计算模块40至少每半个AC线电压周期确定一次所需电抗值，以确保向脉冲发生模块44提供的选通角是最新的。尽管为了充分稳定电弧功率一般期望至少每个功率周期调节一次，但是依赖于炉的具体特性，电抗器控制器28可以配置成以大于或小于每半个周期一次的频率调节点弧角。
如以下更具体描述的，电抗器控制器28优选地配置成接收一个超越(override)信号，当电源控制系统检测到即将发生电极电弧损失时，将其完全转到闸流晶体管对22。在所说明的实施方案中，选通角计算模块42配置成当选通角计算模块从电弧损失预测模块56接收到一个超越控制信号时，以预定时间间隔向选通脉冲发生模块44输出一个接近于0的选通角指令。来自电弧损失预测模块56的超越控制信号优先于选通角计算模块42从所需电抗计算模块40接收到的任何输入。
电抗器控制器28的模块38、40和42可以利用合适的可编程工业PC很方便地实现，但是本领域的技术人员应当理解这些模块的功能性可以利用许多不同的可能硬件和/或软件配置来实现。选通脉冲发生模块44可以利用一种合适的可编程FPGA设备方便地实现，但是还可以使用其它实现方案，如微处理器或基于专用电路的设备。
尤其是在电抗器20完全变短的情况下，与可变电抗器16串联的固定电抗器18的存在有助于将平均炉功率因子保持在一个如在供电总线测量的特定范围内。有固定电抗器18存在，电弧电阻的变化就可以通过使可变电抗器16的电抗值改变等于或小于电弧电阻的变化量来补偿。在这些情况下，从供电总线吸收的结果无功功率被最小化。电感线圈23用来保护闸流晶体管对22免受损坏性短路电流的影响。
现在来看电极位置的调节，该电源控制系统包括用来调节电极移动系统54以调节电极12相对于炉容器24的高度的电极位置控制器48。如下面将更具体描述的，电极位置控制器48配置成以实时为基础监控各种炉工作条件，如电极电压、电极电流、功率消耗和电极移动。将所监控的过程变量及所监控过程变量中的变化同预定表示炉多种不同形式不正常状态的存储值和变化模式进行比较。根据炉过程变量变化中的特征性标记，位置控制器预测多种不同的可能炉不正常状态的起始位置，并以一种适合于特定不正常状态的模式调节电极高度。通过特定的不正常状态调节，该电极位置控制器试图减小功率波动，而同时还能保持过程能量效率、炉顶结构完整性和电力系统的电平衡。在图2所示实施方案中，电极移动系统54示为曲柄驱动系统，但是能够升高和降低电极12的其它系统，如液压缸驱动系统，也可以使用。
电极位置控制器48优选地包括一个模式确定模块50，用来连续地监控炉的工作特性并为基于该测量特性的电极高度调节选择多种不同的可能工作模式中的一种。为了测量炉条件，模式确定模块50从测量电极电流的变流器60和测量到中性点的电极电压的变压器58接收输入。模式确定模块50还监控附加的工作特性，包括通过从温度传感元件，如热电偶(未示出)，接收的信号的炉顶温度、炉噪声(包括音频和一些非音频)和通过从声换能器(未示出)接收到的信号、通过从电极位置计算模块52反馈的电极移动、通过线路36的期望功率定点和通过从分接头设置控制器46的输入的炉分接头设置。模式确定模块50配置成一旦检测到炉工作特性中不正常状态的起始位置，就自动从电压(VOLTAGE)模式、阻抗(IMPEDANCE)模式和电流(CURRENT)工作模式中进行选择。
当检测到开弧情况(例如，当一个或多个电极末端无屏蔽位于加工原料之上时)时，为了保护炉顶免受过多的电弧辐射，模式确定模块50选择VOLTAGE模式。为了确定开弧情况是已经发生还是有可能发生，模式确定模块50监控多个变量，包括但不限于：(a)电极功率因子的变化；(b)电极功率标准偏差的增加；(c)电极电弧损失的更高发生率；(d)较高的可听炉噪声；(e)电弧电流和电压谐波分布的变化；(f)紧贴围绕在电极开口周围的炉顶热通量的增加；及(g)最近的电极移动，如电极的升高和降低摆动。模式确定模块50将这些变量前进的监控值与预定表示目标电弧炉中一种开弧状态起始位置的存储阈值和方式进行比较。
一旦选择了VOLTAGE模式，模式确定模块50就确定提供给控制电极12移动，一般是以下降方向消除开弧状态，的电极位置计算模块52的电压模式控制误差(控制误差)等式。在一种优选实施方案中，电压模式控制误差等式如下：
控制误差＝kI*I-kV*V    等式(3)
其中：
V是通过变压器58测量到的电极到中性点的电压；
kI和kV是预先计算好并存储在查找表中的电流和电压比例常数。它们在查找表中是根据变压器分接头的位置进行索引的；及
I是接近于目标电弧炉额定工作电极电流的预定常量。
在VOLTAGE模式中，利用为各个电极测量的电压，控制误差等式适用于所有三个电极12。为了确定控制误差，通过使用预定电流常量I，而不是测量电极电流值，电极位置控制器可以集中在通过电极高度调节快速稳定电弧电压。
模式确定模块50选择的缺省模式是IMPEDANCE模式。当炉保持有盖或屏蔽的电弧时(即，在正常工作中，其中盖子由位于炉中的被加工产品，例如钢铁碎片、泡沫矿渣或含矿原料，提供)使用IMPEDANCE模式。在IMPEDANCE模式中，本实施方案三电极系统中每个电极12的机械移动都是同其它电极的移动分离的。当其测量阻抗值从定点阻抗值改变预定量时每个单独的电极12移动，直到测量值和定点值之间的匹配恢复到预定偏差中。这样，对于每个电极，模式确定模块50都(通过测量电极电压和电流值)确定前行的电极阻抗，而且如果测量阻抗与定点阻抗不相等(即，如果对于那个电极存在不正常状态)，则模式确定模块50计算一个提供给控制电极移动的电极位置计算模块的阻抗模式控制误差等式。优选地，该阻抗定点值是增益常量之比kI/kV，而该阻抗模式控制误差等式如下：
控制误差＝kI*I-kV*V    等式(4)
其中：
V是通过变压器58测量到的电极到中性点的电压；
kI和kV是上面提到的增益常量；及
I是通过变压器60测量到的电极电流。
在IMPEDANCE模式中，对其过程阻抗从定点阻抗值发生改变的电极的单独调节减小了电弧上的加料盖的干扰。应当理解，除了由二次侧变压器58、60进行测量，通过根据适当的炉变压器匝数比调节一次侧测量值，V和I的值可以分别从一次侧变压器32和34的测量值导出。
当炉工作条件表示高度电不平衡时(这种情况如果不做处理可能会导致保护性继电器切断炉电源)，模式确定模块50还可以选择CURRENT模式。在CURRENT模式中，电极位置控制器48使电极移动来恢复平衡的电极电流，这会最小化不平衡炉跳闸的可能性。模式确定模块50通过测量炉变压器14一次或二次相电流中的负序电流分量来监控电流平衡性。在所说明的实例中，二次相电流是通过变流器60测量的，而模式确定模块50执行对称分量分解。一种具有代表性的分解等式说明如下：
I2＝I/3(Ia+a2Ib+aIc)
其中：
a＝-0.5+j0.866；
I2＝负序电流；
Ia＝a相电流向量；
Ib＝b相电流向量；及
Ic＝c相电流向量。
当负序电流的值在预定时间内保持高于一个阈值时，选择CURRENT模式。当电流平衡条件故障被校正后，恢复IMPEDANCE模式。一旦选择了CURRENT模式，模式确定模块50就确定一个提供给控制电极12移动以减小电流不平衡的电极位置计算模块52的电流模式控制误差等式。在一种优选实施方案中，该电流模式控制误差等式如下：
控制误差＝kI*I-kV*V    等式(5)
其中：
I是通过变压器60测量到的电极电流；
kI和kV是上面提到的电流和电压比例常数；及
V是接近于目标电弧炉额定工作电极电压的预定常量。
在CURRENT模式中，利用为各个电极测量的电流，控制误差等式适用于所有三个电极12。为了确定控制误差，通过使用预定电压常量V，而不是测量电压值，电极位置控制器集中在通过电极高度调节快速平衡电极电流。应当理解，电流模式控制误差等式(5)和电压模式控制误差等式(3)与阻抗模式控制误差等式(4)是相同的，只是在电流模式等式情况下用一个常量代替测量电压V，而在电压模式等式情况下用一个常量代替测量电流I。
在三电极电弧炉中，相间电极电压和电流的耦合是固有的。因此，在本实施方案的三电极炉中，当在一个电极发生电弧干扰时，所有三个电极的电压和电流都会受到影响。因此，在CURRENT和VOLTAGE模式中，所有三个电极都会移动以便抵消不正常状态。但是，在IMPEDANCE模式中，只有阻抗需要调节的电极才会移动，这最小化了电弧盖的干扰。
电极位置控制器48包括一个配置成根据从模式确定模块50接收到的指令控制电极移动系统54升高或降低电极12的电极位置计算模块52。计算模块52还为了其自己的使用而监控电极位置，并向模式确定模块50提供关于电极位置和移动的反馈。如上所述，在CURRENT和VOLTAGE模式中，三个电极都移动以便分别将电流和电压恢复到定点值。在IMPEDANCE模式中，单独移动要将其阻抗恢复到正确水平的电极。计算模块52分别从变流器60和变压器58接收电极电流信息和电极电压信息。
在炉工作过程中，位置计算模块52从模式确定模块50接收合适的控制误差等式选择并利用其如下控制电极移动。控制误差增加到指数n，其中α＜n＜β(其中α通常＝1，而β通常＝2)，并由一个积分器连续进行积分。当达到积分限值时，电极起始速度被设定为一个与整个积分周期上平均误差成比例的值。然后使电极速度与瞬时误差成比例，直到误差落在一个预定的死区内。然后积分器重启，当电极停止移动时开始积分。在控制误差高于预置阈值的情况下，绕过积分步骤，电极以高速或最大速度移动，直到(a)误差落在预定死区内，或(b)误差低于预置阈值且速度被调至与瞬时误差成比例。通常，本发明实施方案中的电极移动速度将落在300mm/分钟到20,000mm/分钟之间。应当理解，除了目前提到的方法，电极位置计算模块52还可以使用多种不同的已知移动控制算法来控制电极移动。
电极位置计算模块52的一个新特征是它包括电弧长度超越控制功能，由此它能够在移动每个电极之前为其确定电极电弧长度，并在移动电极的同时连续地监控电极行程。如果电极行程超出了其计算电弧长度，则发出一个超越控制命令将电极速度降低到慢行速度来最小化电极损坏或炉渣池中不期望的冶金反应(这可能是由于电极中碳和炉中熔池之间的反应造成的)。在该实施方案中，每个电极的电弧长度是如下计算的：
电弧长度＝(V-I*Rslaq-Vo)/Eo
其中：
V是电极到中性点的电压；
I是电极电流；
Rslaq是当电极末端刚刚接触到热渣池表面时的电极电阻；
Vo是表示电压下降的常量；及
Eo是表示电弧电场的常量，单位是伏/厘米。
在实际当中，电弧长度的计算可以依赖于除上述变量以外的其它炉工作变量。在该实施方案中，根据每半个周期测量到的炉工作特性，每半个功率周期对控制误差进行一次积分。但是，本发明电极高度调节器可以使用较低频率的积分和采样时间间隔。
电极位置控制器48还包括由电弧损失预测算法模块56实现的超越控制功能，它预测另一种类型的不正常状态。通过监控电弧电流快速衰减特性的起始位置，该模块预测任一电极12中的电弧损失并作出响应，(a)通知电极位置计算模块52快速降低预测到电弧损失的电极12，及(b)如上所述，向电抗器控制器28发送一个导致完全转向与预测到电弧损失的电极12关联的闸流晶体管开关22(即，提供接近于0的选通角)的超越控制信号，从而完全避开向受影响电极提供瞬间电压上升的各电感线圈20。由闸流晶体管开关完全开启引起的电极末端电压上升和由电极降低引起的电弧长度减小将增强该电极下面的电场。因此，电弧柱中的电离度将被恢复，而且防止了电弧损失(或在真正发生电弧损失的情况下恢复电弧柱)。一旦电弧柱被恢复，利用电弧损失预测模块50的电抗器控制器28的超越控制将终止，从而允许电抗器控制器28检测减小的结果电弧阻抗，并因此通过增大闸流晶体管选通角来增加可变电抗器16的电抗。固此，不允许电极功率超过功率定点值。传统上快速电极降低的后果是快速的正序电流和/或功率波动，这可能会导致熔解炉上的断路器跳闸。在钢铁炉中，快速降低会引起电极末端损坏和/或断路器跳闸。因此，传统上避免了快速电极降低。但是，在本发明中，与电极降低一起进行的对可变电抗器16的控制减小了正序功率波动，从而降低了由于断路器跳闸引起的功率中断的可能性。此外，电弧长度超越控制功能(即使在电弧损失超越控制期间该功能也连续运转)减小了由于电极末端损坏引起的炉延迟的可能性。
电弧损失预测算法模块56的工作由以下伪码说明：
(i)DO WHILE炉在工作
  (ii)对每个电极电流连续采样；
   (iii)IF减小电流的变化率大于预定限值，
     AND IF电极电流小于kx(定点值)
         (iv)THEN全速初始化主控降低并选通闸流晶体管；
         (v)IF电极电流恢复到定点值
          OR IF电极电压为0
              (vi)THEN将电极调节交还给模式确定模块
             50，将闸流晶体管调节交还给电抗器控制器
             28；
(vii)END DO；
如伪码步骤(i)和(ii)中所示，当电弧炉工作时，电弧损失预测算法模块56通过与每个电极关联的变流器60监控每个电极的电流。如步骤(iii)中所示，如果电流下降，检查其变化速率是否超过了预定的阈值。该预定的阈值是根据目标炉的特性选择的，特别是选定为一个已知表示即将发生的电弧损失的值。在步骤(iii)中，还检查电极电流看其是否小于电流定点的预定百分比。(该电流定点是根据功率定点和变压器电压分接头设置确定的。)如果存在步骤(iii)中的两个检验条件，则模块56作出结论作为每一步(iv)：炉工作条件预示即将发生的电弧损失，并采取通过通知电极位置计算模块52降低电极来避免电弧损失的步骤，并将电抗器控制器28完全转向闸流晶体管22。如步骤(v)所示，保持这些电弧损失避免方法，直到(a)目标电极电流恢复到定点值(该值表示可以防止电弧损失，或者在发生电弧损失的情况下被恢复的电弧)，或(b)电极电压变成0(该值表示电极末端接触到炉容器中的熔池)。在步骤(v)之后，电弧损失预测算法模块56将对电极调节的控制交还给模式确定模块50，将对可变电抗器16的控制交还给电抗器控制器28，作为每一步(vi)，这通常会导致电极上升一些和可变电抗器16增加一些，从而减轻任何可能发生在电弧再次点燃时的正序功率波动。
电极位置控制器48可以利用合适的可编程工业PC方便地实现，但是，本领域技术人员应当理解其模块的功能性可以利用许多不同的可能硬件和/或软件配置来实现。分接头设置控制器46还可以利用工业PC或合适的替代品来实现，还可以利用与用于电极位置控制器48相同的PC来实现。
本发明的可变电抗器控制和电极调节有助于提供使用它们的具有平面线性功率分布的电弧炉，而基本上没有正序或负序功率波动。快速电闸流晶体管控制增强了电极调节器较慢的功率稳定机械作用。电闸流晶体管控制对电弧波动提供了快速响应，其中电极调节对机械干扰(例如，加工原料的塌陷、电弧损失等)提供前进响应。总体而言，本发明的电弧炉控制系统主要有以下功能：
-选择与炉功率定点匹配的所需炉变压器电压分接头。
-以半个周期或一个周期为基础连续调节可变电抗器来调节功率波动，以便抵消电极阻抗的变化；及
-通过预测性电极调节来减小导致快速电极下降的功率下降，这将防止电极电弧散出去，并利用闸流晶体管控制和同步电极上升在电弧再次点燃时控制正序功率波动。
在所说明的实施方案中，描述了一种三电极炉，其中可变电抗器16位于炉变压器三角形外壳的外面。应当理解，本发明的控制系统还适用于其它电弧炉配置。例如，通过适当的修改，该控制系统可以用于多个电极同每一相关联的炉，如一对电极12同每一相关联的六电极炉，中得到类似的好处。在这方面，图4示出了根据本发明另一种实施方案的六电极炉。用于六电极炉的控制系统同上面图2中所示和描述的三电极炉的控制系统相似，只是为解决六电极炉和三电极炉的不同而进行了如下所指出的一些修改。用于六电极炉的控制系统的方框图在图5中示出，其中电极对112同单个相关联。
参考图4和5，六电极炉表现为电力系统上的三个单相负载(每个都有两个电极12)。每个电极对112从炉变压器114的各单相接收功率。可变电抗器18位于每个变压器114一次绕组和供电总线10的里面。在六电极炉的一种优选实施方案中，每对电极都可以有独立的功率定点。因此有三个通常相等但可以根据工作需要设置为不同的功率定点。每个炉变压器114的分接头是由分接头设置控制器46根据其各个功率定点选择的。如上面所指出的，关于变压器14，相同的普遍原理适用于为每个炉变压器114设置分接头。
由于上面所指出的等式(2)也可适用于同单相关联的电极对112，因此关于六电极炉中的可变电抗器控制，每相的控制都基本上是与上面所指出的关于三电极炉相同的。
关于六电极炉中的电极高度调节，由于每一对都是从独立的炉变压器114供电的，因此每个电极对112都同另一电极对隔离。但是，对于任一电极对112，当它们由相同的变压器114供电时，电极对是彼此电耦合的，因此一个电极的移动会对另一个电极的电流和电压产生影响。电极移动设备54在机械上能够独立地移动单个电极对112中的两个电极12。
如在三电极炉中，根据由模式确定模块50选定的模式，关于每个电极12，控制误差计算是由电极位置计算模块52执行的。因此，执行了六次控制误差计算，每个电极一次。在IMPEDANCE模式中，选择增益kI和kV是考虑到电极对电压的总和接近一个常量。在VOLTAGE模式中，选择增益kI和kV是考虑到电极对电压的总和接近一个常量。
六电极炉的CURRENT模式是修改自三电极炉，如下所示。首先，对电极对电流的不平衡进行监控和校正。
在电极对112中，CURRENT模式是一种迅速调节电极对电流的快速反应模式。它朝相同的方向同时移动一对电极中的两个电极。与三电极炉相似，CURRENT模式有可能会造成电极对中阻抗和电极电压的不平衡。如果电弧没有熄灭，但是如果电极对电流已经显著偏离了其平均值，则暂时选择CURRENT模式迅速将电流恢复到定点。物理上，一对电极中的两个电极朝相同的方向移动一小段时间。
CURRENT模式还可以用来校正发生在不同相的不平衡。
为了最小化负序电流，电流模式必须能够平衡三个单相变压器中每一个的一次电流。因此，在六电极系统中，连接电极位置控制器48是为了从三相中每一相的变流器34接收一次电流信息。如果模式确定模块50确定三个变压器114中每个的二次电压分接头不相同，则一个电流平衡命令将导致对具有三个电压分接头中较低电压或较高电压的特定变压器114的功率定点超越控制。如果电极对的功率定点或二次电压分接头有引起不等的一次电流的大偏差，则禁用CURRENT模式-这意味着操作人员已经决定允许高度不平衡。
尽管可变电抗器16示为单对闸流晶体管开关，但是应当理解其它配置可以用于可变电抗器16，如多级闸流晶体管开关。可选地，其它类型的功率半导体开关可以代替闸流晶体管。

Claims (28)

1、一种用于交流(AC)电弧炉的功率控制系统，其中该AC电弧炉具有将功率施加到电弧电极的AC电源，该控制系统包括：
位于电源和电极之间的可变电抗器；及
可变电抗器控制器，用于监控电极阻抗，并响应所监控电极阻抗的变化而引起可变电抗的改变，从而减小提供给电极的有功功率的变化。
2、如权利要求1所述的功率控制系统，其中可变电抗器控制器配置成响应所监控的电极阻抗，周期性地为可变电抗器确定一个将导致预定电极功率吸收的电抗值，并使得可变电抗器被调至所确定的电抗值。
3、如权利要求2所述的功率控制系统，其中预定功率吸收是基于对炉处理已知数量加工原料所需的功率量的确定。
4、如权利要求2所述的功率控制系统，其中可变电抗器控制器配置成至少每个AC功率周期确定一次电抗值并在要求的情况下调节可变电抗器等于所确定的电抗值。
5、如权利要求2所述的功率控制系统，其中可变电抗器控制器配置成至少每半个AC功率周期确定一次电抗值并在要求的情况下调节可变电抗器等于所确定的电抗值。
6、如权利要求1所述的功率控制系统，其中可变电抗器包括一个闸流晶体管控制的电抗器。
7、如权利要求6所述的功率控制系统，包括一个位于电源和电极之间的固定电抗器。
8、如权利要求1所述的功率控制系统，包括：
升高和降低电极以控制由此产生的电弧长度的电极移动设备；及
控制电极移动设备工作的自动电极位置控制器，该电极位置控制器配置成监控炉的工作特性，并根据所监控的工作特性从多种不同的工作模式中选择一种来控制电极的移动。
9、如权利要求8所述的功率控制系统，其中电极位置控制器比较所监控的工作特性和表示电极在加工原料之上太远位置的不正常状态的预定值，而且如果比较结果表示一种不正常状态的起始，则调节电极高度来消除该不正常状态。
10、如权利要求8所述的功率控制系统，其中电极位置控制器配置成周期性地计算由电极产生的电弧长度，并且如果该电极位置控制器判断电极移动可能超出所计算的电弧长度，则使得电极移动设备降低电极移动速度。
11、如权利要求1所述的功率控制系统，包括：
调节电极高度的电极移动设备；
电极位置控制器，配置成预测电极电弧损失的可能起始，而且如果预测到电弧损失，则使得电极移动设备迅速降低电极及使得可变电抗器控制器暂时减小可变电抗的大小。
12、一种控制电弧炉的方法，其中该电弧炉具有将三相功率施加到三个电弧电极的三相AC电源和连接在电源各相和三个电极之间的可变电抗器，该方法包括步骤：
a)对三相中的每一相监控各自的电极阻抗；及
b)调节可变电抗器的电感来补偿各电极阻抗的变化，从而减小从电源吸收的功率波动。
13、如权利要求12所述的方法，其中对每个功率相，步骤(b)包括考虑各电极阻抗的变化来确定保持预定功率消耗水平所需的电感，并相应调节各可变电抗器。
14、如权利要求12所述的方法，其中对每个功率相至少每个AC功率相周期执行一次步骤(a)和(b)。
15、如权利要求12所述的方法，包括步骤：
c)监控各电极电流以确定所监控的电流是否显示了预示各电极中电弧损失的特性，如果是，则降低对应电极并减小对应可变电抗器的电感。
16、如权利要求12所述的方法，其中电弧炉将三相功率分别施加到三对电极，一个可变电抗器连接在电源各相和该三对电极之间，各电极阻抗为各电极对的阻抗。
17、一种AC电弧炉，包括：
a)三相电源；
b)连接到三相电源各相的三个可变电抗器；
c)具有一次绕组、二次绕组及用于调节变比的分接头的炉变压器，一次绕组连接到三个可变电抗器；
d)连接到二次绕组的三个电弧电极；
e)接收加工原料的炉容器，电极具有位于该容器中但与之分开的电弧端，由此从电源到电极施加功率会从各电极产生用于处理该加工原料的各个电弧；
f)用于调节电极相对于炉容器高度的电极移动设备；及
g)功率控制系统，用于：
i)设置变压器分接头，从而使炉的预期功率消耗等于预定的功率消耗；及
ii)监控表示炉有功功率消耗的炉工作特性，并调节可变电抗器和电极高度来最小化有功功率消耗相对于预定功率消耗的变化。
18、如权利要求17所述的电弧炉，其中至少每个AC功率相周期调节一次可变电抗器。
19、如权利要求17所述的电弧炉，其中炉变压器包括三个单相变压器，每个都具有连接到三个可变电抗器中一个的一次绕组，还包括一对连接到每个单相变压器二次绕组的电弧电极。
20、一种用于AC电弧炉的功率控制系统，其中该AC电弧炉具有将功率施加到电弧电极的AC电源，该控制系统包括：
调节电极高度来控制其电弧长度的电弧电极移动设备；及
控制电极移动设备工作的电极位置控制器，该位置控制器配置成监控电弧炉的工作特性来预测多种不正常状态的起始，并响应预测到特定的不正常状态而调节电极高度。
21、如权利要求20所述的功率控制系统，其中电极位置控制器配置成监控电极移动和电弧长度，并在电极位置控制器判断电极可能或已经移动超过其电弧长度时，使移动设备降低电极移动的速度。
22、如权利要求20所述的功率控制系统，其中电极位置控制器配置成监控电极的阻抗、检测所监控阻抗从阈值改变预定量时的不正常状态，并调节电极高度，从而将所监控阻抗调节到预定的阈值范围内。
23、如权利要求22所述的功率控制系统，其中炉具有将功率分别施加到三个电极的三相电源，该电极由电弧电极移动设备单独移动，该电极位置控制器配置成为每个功率相监控各电极的阻抗，并且为每个功率相单独移动各电极，从而允许将电极阻抗调至预定水平。
24、如权利要求22所述的功率控制系统，其中电极位置控制器配置成检测当所监控工作特性表示电极在炉中加工原料上面太高位置时的另一种不正常状态，并将电极高度下调到一个可接受的水平。
25、如权利要求22所述的功率控制系统，其中炉具有将功率分别施加到三个可以由电弧电极移动设备移动的电极的三相电源，该电极位置控制器配置成为每个电极监控电流，检测所监控电极电流之间的差值超过预定阈值时的另一种不正常状态，并调节电极的高度，使所监控电极电流之间的差值落在一个预定范围内。
26、一种控制电弧炉的方法，其中该电弧炉具有将功率施加到电弧电极的AC电源、连接在电源和电极之间的可变电抗器和调节电极相对于炉容器高度的电极移动系统，该方法包括步骤：
a)监控送入电极的电流；
b)确定所监控电流是否预示着存在电极电离损失，如果是，则降低电极并减小可变电抗。
27、如权利要求26所述的方法，包括步骤：
c)紧接步骤(b)，当已经恢复电极电离时增加可变电抗值，以便减小有功功率波动。
28、如权利要求26所述的方法，其中步骤(b)包括如果所监控电流的大小以超过预定速度阈值的速度减小且所监控电流的大小小于预定值，则预示着电离损失的起始。
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