DE1159112B

DE1159112B - Method for controlling an electric arc furnace

Info

Publication number: DE1159112B
Application number: DESCH31554A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Josef Schiffarth
Original assignee: JOSEF SCHIFFARTH DR ING
Current assignee: JOSEF SCHIFFARTH DR ING
Priority date: 1962-05-30
Filing date: 1962-05-30
Publication date: 1963-12-12

Description

Verfahren zur Regelung eines Lichtbogenofens Zur Sicherstellung der höchstmöglichen Wirtschaftlichkeit beim Betrieb von modernen Lichtbogenöfen, insbesondere von Stahlschmelzöfen, ist es erforderlich, den eingebrachten Schrott unter Ausnützung der maximal zulässigen Lichtbogendauerleistung in der kürzest möglichen Zeit niederzuschmelzen. Daraus entspringt die Forderung an die Regeleinrichtung derartiger Öfen, die größtmögliche Lichtbogenleistung während des Schmelzvorganges einzuregeln und konstant zu halten. Die Regeleinrichtungen sind heute so ausgebildet, daß als Regelgröße das Verhältnis der Spannung zwischen Elektrodenfas.sung und Bad zum Lichtbogenstrom verwendet wird. Der Lichtbogenstrom wird dabei als Bürdenspannung eines ohmisch belasteten Stromes dargestellt. Beide Meßspannungen werden gleichgerichtet und gegeneinander geschaltet. Sie sind so bemessen, daß ihre Differenz beim Vorliegen der Solleistung Null ist. Eine Abweichung von der Solleistung ergibt eine Steuerspannung, die den Regelbefehl in irgendeiner an sich bekannten Art auslöst. Die Steuerspannung kann beispielsweise über einen Magnetverstärker einen Drehstrommotor im Sinne einer Höhenverstellung der Elektroden beeinflussen. Im wesentlichen verläuft der Regelvorgang bei der Anwendung von Tauchspulreglern oder eines Amplidynegenerators auf gleiche Weise.Method for controlling an electric arc furnace To ensure the highest possible economic efficiency in the operation of modern electric arc furnaces, in particular of steel smelting furnaces, it is necessary to utilize the brought in scrap to melt the maximum permissible continuous arc power in the shortest possible time. From this arises the requirement for the control equipment of such ovens, the greatest possible To regulate the arc power during the melting process and to keep it constant. The control devices are now designed so that the ratio as the controlled variable the voltage between the electrode holder and the bath is used to generate the arc current. The arc current is used as the burden voltage of an ohmically loaded current shown. Both measuring voltages are rectified and switched against each other. They are dimensioned in such a way that their difference is zero when the target output is present. A deviation from the nominal output results in a control voltage that controls the control command triggers in any known manner. The control voltage can, for example A three-phase motor via a magnetic amplifier in the sense of a height adjustment affect the electrodes. The control process essentially takes place during the application of moving coil regulators or an amplidynegenerator in the same way.

Die Verwendung des Lichtbogenstromes als Regelgröße ergibt keine sehr große Regelgenauigkeit, da die Lichtbogenleistung sich im Bereich des Sollwertes der Regelgröße mit dem Lichtbogenstrom nur wenig ändert.The use of the arc current as a controlled variable does not result in very much Great control accuracy, since the arc power is in the range of the setpoint the controlled variable changes only slightly with the arc current.

Die mit den bekannten Regelanordnungen erzielte Regelgenauigkeit ist noch aus einem anderen Grunde gering. Für die Einstellung des Lichtbogenofens auf größtmögliche Lichtbogenleistung wird der Lichtbogen durch einen ohmschen Widerstand ersetzt. Dadurch lassen sich der Strom und der Leistungsfaktor dieses Ersatz-Lichtbogenstromkreises bestimmen, bei denen in dem Ersatzwiderstand für den Lichtbogen die größtmögliche Leistung auftritt. Es hat sich herausgestellt, daß der Lichtbogenwiderstand nicht durch einen ohmschen Widerstand ersetzt werden kann. Weiterhin ergibt die üblicherweise auf der Hochspannungsseite des Ofentransformators vorgenommene Messung des Effektivwertes des Stromes und der zugehörigen Phasenspannung nicht den tatsächlichen Leistungsfaktor. Denn die Phasenspannung, die mit Hilfe von drei in Stern geschalteten Spannungswandlern ermittelt wird, kann wegen der Bildung eines freien Sternpunktes im Bade nicht die wahre Spannung des Lichtbogenstromkreises sein. Ferner besitzt der zeitliche Verlauf der Lichtbogenspannung im Gegensatz zu den bisher getroffenen Annahmen keine Sinusform, er nähert sich vielmehr weitgehend der Rechteckform. Schließlich tritt eine Fälschung der Meßwerte auch noch dadurch ein, daß der Lichtbogen eine mehr oder weniger ausgeprägte Gleichrichterwirkung hat. Deswegen sind die Mittelwerte der positiven und negativen Halbwellen nicht mehr gleich groß. Um eine höchstmögliche Genauigkeit in der Einregelung einer bestimmten Lichtbogenleistung zu erreichen, ist es erforderlich, eine Regelgröße zu verwenden, die in einem zuverlässigen und ungestörten Zusammenhang mit der Lichtbogenleistung steht.The control accuracy achieved with the known control arrangements is still slight for another reason. For setting the arc furnace on The greatest possible arc power is achieved by the arc through an ohmic resistor replaced. This will determine the current and power factor of this substitute arc circuit determine where in the equivalent resistance for the arc the greatest possible Performance occurs. It has been found that the arc resistance does not can be replaced by an ohmic resistor. Furthermore, this usually results Measurement of the effective value made on the high voltage side of the furnace transformer of the current and the associated phase voltage do not reflect the actual power factor. Because the phase voltage, with the help of three voltage converters connected in star is determined, can not because of the formation of a free star point in the bath be the true voltage of the arc circuit. Furthermore, the course over time has the arc voltage, contrary to the assumptions made so far, is not a sinusoidal shape, rather, it largely approximates the rectangular shape. Finally, a fake occurs the measured values are also influenced by the fact that the arc is more or less pronounced Has a rectifying effect. Therefore the mean values are positive and negative Half waves are no longer the same size. To achieve the highest possible accuracy in the adjustment To achieve a certain arc power, it is necessary to use a controlled variable to use that in a reliable and undisturbed connection with the arc performance stands.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erlangung einer derartigen Regelgröße anzugeben. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung eines Lichtbogenafens auf maximale Leistung, insbesondere durch Verstellung der Lichtbogenlänge und besteht darin, daß als Regelgröße das Verhältnis des Scheitelwertes der (rechteckförmigen) Lichtbogenspannung zum Scheitelwert der (sinusförmigen) Spannung des Lichtbogenstromkreises verwendet wird.It is the object of the invention to provide a method for obtaining such Specify controlled variable. The invention relates to a method of regulation an arc furnace to maximum performance, in particular by adjusting the Arc length and consists in the fact that the ratio of the peak value is used as the controlled variable the (square) arc voltage to the peak value of the (sinusoidal) voltage of the arc circuit is used.

In der Zeichnung ist eine vorzugsweise verwendete Schaltungsanordnung wiedergegeben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine nur von der Lichtbogenwirkleistung abhängige Regelgröße als Verhältnis des Scheitelwertes der rechteckförmigen Lichtbogenspannung zum Scheitelwert der sinusförmigen Spannung des Lichtbogenstromkreises ermittelt.In the drawing is a circuit arrangement that is preferably used reproduced, according to the method according to the invention, only from the effective arc power dependent control variable as the ratio of the peak value of the square-wave arc voltage determined at the peak value of the sinusoidal voltage of the arc circuit.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Tatsache, daß der Verlauf der Lichtbogenleistung bei einem bestimmten Wert des Verhältnisses dies Scheitelwertes der rechteckförmigen Lichtbogenspannung zum Scheitelwert der sinusförmigen Spannung des Lichtbogenkreises ein Maximum aufweist. Der Zahlwert dieses kritischen Verhältnisses zwischen den Scheitelwerten wird zwar durch eine Widerstandsänderung der Zuleitung zwischen Lichtbogen und durch eine Änderung der Gleichrichterwirkung im Lichtbogen beeinflußt, jedoch ist dieser Einfluß relativ gering und kann vernachlässigt werden. Einen ähnlichen Verlauf zeigt auch die Lichtbogenleistung in Abhängigkeit vom Verhältnis der arithmetischen Mittelwerte der Lichtbogenspannung zur Spannung des Lichtbogenstromkreises. Die Abweichungen der arithmetischen Mittelwerte gegenüber den Scheitelwerten sind wegen der geringen Änderungen des Formfaktors unbedeutend und können praktisch vernachlässigt werden. Dagegen hat der arithmetische Mittelwert den Vorteil, daß er mit geringerem technischem Aufwand ermittelt werden kann als der Scheitelwert. Es ist ermittelt worden, daß der optimale Wert des Verhältnisses der Scheitelwerte bzw. der Mittelwerte, der dem Leistungsmaximum zugeordnet ist, etwa bei 0,43 bzw. 0,63 liegt.The inventive method is based on the fact that the course the arc power at a certain value of the ratio of this peak value the square-wave arc voltage to the peak value of the sinusoidal voltage of the arc circuit has a maximum. Of the Numerical value this critical relationship between the peak values is caused by a change in resistance the supply line between the arc and a change in the rectifier effect influenced in the arc, however, this influence is relatively small and can be neglected will. The arc power also shows a similar profile as a function the ratio of the arithmetic mean values of the arc voltage to the voltage of the arc circuit. The deviations of the arithmetic mean values compared to the peak values are insignificant because of the small changes in the form factor and can practically be neglected. In contrast, the arithmetic mean has the advantage that it can be determined with less technical effort than the peak value. It has been found that the optimum value of the ratio the peak values or the mean values assigned to the maximum performance, is around 0.43 and 0.63, respectively.

Sowohl die Lichtbogenspannung als auch die Spannung des Lichtbogenstromkreises ist einer unmittelbaren Messung nicht zugänglich. Aus technischen Gründen kann die Spannung des Lichtbogens nur zwischen der Elektrodenfassung 4 und dem Bad 5 bzw. dem Erdpotential 6 gemessen werden. Diese Spannung setzt sich aus der eigentlichen Bogenspannung 7 und einem Spannungsabfall in den Elektroden zusammen, dessen zugehöriger Widerstand durch eine Ersatzschaltung aus einem ohmschen Widerstand 3 und einer Induktivität 2 dargestellt werden kann.Both the arc voltage and the voltage of the arc circuit is not accessible to an immediate measurement. For technical reasons, the Voltage of the arc only between the electrode holder 4 and the bath 5 or the earth potential 6 can be measured. This tension is made up of the actual Arc voltage 7 and a voltage drop in the electrodes together, its associated Resistance by an equivalent circuit consisting of an ohmic resistor 3 and one Inductance 2 can be represented.

Das gleiche gilt auch für den inneren Spannungsabfall des Ofentransformators, bei dem nur die Klemmspannung am Punkt 1 der Messung urmittelbar zugänglich ist. Der Innenwiderstand des Ofentransformators kann durch eine aus dem Widerstand 8 und der Drossel 9 bestehenden Ersatzschaltung dargestellt werden.The same applies to the internal voltage drop of the furnace transformer, in which only the clamping voltage at point 1 of the measurement is directly accessible. The internal resistance of the furnace transformer can be determined by one of the resistance 8 and the choke 9 existing equivalent circuit are shown.

Gemäß der Erfindung wird die wahre Lichtbogenspannurig dadurch gewonnen, daß der meßbaren Spannung in der Elektrodenfassung 4 eine Spannung entgegengeschaltet wird, die dem Spannungsabfall in den Elektroden :entspricht. Zu diesem Zweck ist ein Stromwandler 11 in einer Phase der Drehstromzuleitung geschaltet, dessen Bürde durch die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 12 und einer Drossel 13 gebildet wird. Der Scheinwiderstand dieser Reihenschaltung entspricht genau dem Scheinwiderstand der Elektrodenwiderstände 2 und 3. Die Bürdenspannung :ist demnach ein genaues Abbild des inneren Spannungsabfalles der Elektroden. Diese Spannungsnachbildung wird der zwischen der Elektrodenfassung 4 und dem Erdpotential 6 mittels eines Widerstandes 14 abgegriffenen Spannung entgegengeschaltet. Die Differenzspannung entspricht somit der wahren Lichtbogenspannung. Um die Einflüsse der Streufelder auf den Meßkreis der abgegriffenen Spannung zu kompensieren, wird in den Nachbildungskreis für die Lichtbogenspannung zusätzlich eine Korrekturspannung einsgefügt, die durch eine im Streufeld angeordnete Meßspule 15 erzeugt wird. Die Größe dieser Korrekturspannung kann mittels des Spannungsteilers 16 so eingestellt werden, daß sie der Streufeldspannungentspricht. Die so gewonnene, der reinen Lichtbogenspannung entsprechende Meßspannung wird mit Hilfe des Brückengleichrichters 17 gleichgerichtet und einem Widerstand 18 zugeführt. Ein analoges Verfahren wird gemäß der Erfindung auch zur Ermittlung der sinusförmigen Spannung 10 für den Lichtbog enstromkreis angewendet. Der Stromwandler 19 ist durch eine aus der Reihenschaltung eines Widerstandes 20 und einer Drossel 21 be- stehenden Bürde belastet. Der Scheinwiderstand dieser Reihenschaltung entspricht wiederum genau dem Scheinwiderstand des Ofentransformators, also den Widerständen 8 und 9. Die Bürdenspannung wird der am Widerstand 22 auftretenden Klemmenspannung des Ofentransformators entgegengeschaltet. Die so erhaltene Differenz entspricht der sinusförmigen Spannung des Lichtbogenstromkreises. Auch hier wird zur Kompensation des Streufeldeinflusses in den Nachbildungskreis eine Zusatzspannung eingefügt, die in der im Streufeld angeordneten Meßspule 23 erzeugt wird. Die Größe dieser Zusatzspannung kann mittels des Spannungsteilers 24 eingestellt werden. Die so gewonnene sinusförmige Spannung wird. einem Transformator 25 zugeführt, der zwecks Erzielung einer galvanischen Trennung - erforderlich ist. Die Sekundärspannung wird mittels der Gleichrichterbrücke 26 gleichgerichtet und mit dem Widerstand 27 belastet. Die Spannungsabfälle an den Ausgangswiderständen 18 und 27 sind gemäß der Erfindung geegeneinandergeschaltet. Die Differenzspannung ist an den Klemmen 28 abnehmbar und dient als Regelgröße zur Verstellung der Lichtbogenelektrode.According to the invention, the true arc span is obtained in that the measurable voltage in the electrode holder 4 is countered by a voltage which corresponds to the voltage drop in the electrodes. For this purpose, a current transformer 11 is connected in one phase of the three-phase supply line, the burden of which is formed by the series connection of an ohmic resistor 12 and a choke 13. The impedance of this series connection corresponds exactly to the impedance of the electrode resistors 2 and 3. The burden voltage: is therefore an exact image of the internal voltage drop of the electrodes. This voltage simulation is switched in opposition to the voltage tapped between the electrode holder 4 and the earth potential 6 by means of a resistor 14. The differential voltage thus corresponds to the true arc voltage. In order to compensate for the influences of the stray fields on the measuring circuit of the tapped voltage, a correction voltage is added to the simulation circuit for the arc voltage, which is generated by a measuring coil 15 arranged in the stray field. The magnitude of this correction voltage can be adjusted by means of the voltage divider 16 so that it corresponds to the stray field voltage. The measurement voltage obtained in this way, corresponding to the pure arc voltage, is rectified with the aid of the bridge rectifier 17 and fed to a resistor 18. According to the invention, an analogous method is also used to determine the sinusoidal voltage 10 for the arc circuit. The current transformer 19 is loaded by a load consisting of the series connection of a resistor 20 and a choke 21. The impedance of this series connection in turn corresponds exactly to the impedance of the furnace transformer, that is to say the resistors 8 and 9. The burden voltage is switched against the terminal voltage of the furnace transformer occurring at the resistor 22. The difference obtained in this way corresponds to the sinusoidal voltage of the arc circuit. Here too, to compensate for the influence of the stray field, an additional voltage is inserted into the simulation circuit, which is generated in the measuring coil 23 arranged in the stray field. The size of this additional voltage can be adjusted by means of the voltage divider 24. The sinusoidal voltage thus obtained becomes. a transformer 25 is supplied, which is required to achieve galvanic isolation. The secondary voltage is rectified by means of the rectifier bridge 26 and loaded with the resistor 27. The voltage drops across the output resistors 18 and 27 are connected against one another according to the invention. The differential voltage can be removed from terminals 28 and is used as a control variable for adjusting the arc electrode.

Der Ausgangswiderstand 27 ist als Spannungsteiler ausgebildet, so daß die beiden gleichgerichteten und gegeneinandergerichteten Werte der Lichtbogenspannung und der Spannung des Lichtbogenkreises so eingestellt werden können, daß ihre Differenz beim Vorliegen der maximalen Lichtbogenleistung, d. h. also bei einem Verhältnis der Scheitelwerte bzw. der Mittelwerte von etwa 0,43 bzw. 0,63 »Null« ist. Eine Störung dieses optimalen Verhältnisses, d. h. eine Abweichung der Lichtbogenleistung von ihrem optimalen Wert, hat das Auftreten einer Differenzspannung 28 zur Folge, die .als Stellgröße eine Elektrodenverstellung verursacht. Bei Verwendung dieser Regelgröße tritt unabhängig von einem Gleichrichtereffekt und einer Widerstandsänderung in der Zuleitung im Lichtbogen die größtmögliche Lichtbogenleistung auf.The output resistor 27 is designed as a voltage divider, see above that the two rectified and oppositely directed values of the arc voltage and the voltage of the arc circuit can be adjusted so that their difference when the maximum arc power is present, d. H. so with a relationship the peak values or the mean values of about 0.43 and 0.63, respectively, are "zero". One Disturbance of this optimal relationship, d. H. a deviation in arc power of its optimal value, the occurrence of a differential voltage 28 results, which causes an adjustment of the electrodes as a manipulated variable. When using this The controlled variable occurs independently of a rectifier effect and a change in resistance the greatest possible arc power in the supply line in the arc.

Claims

PATENT CLAIMS. 1. Procedure for regulating an electric arc furnace for maximum output; in particular by adjustment of the arc length, characterized in that the arc circuit is used as a control variable the ratio of the peak value of the (rectangular) arc voltage on the peak value of the (sinusoidal) voltage.

2. The method according to claim 1, characterized characterized in that the ratio of the rectified value of the arc voltage is used as the controlled variable for the rectified value of the voltage of the arc circuit or the corresponding effective values is used as an approximation for the ratio of the peaks.

3. Procedure according to claim 2, characterized in that the arc voltage or the voltage of the arc circuit as the difference between the measurable voltages between Electrode socket and earth or secondary voltage of the furnace transformer and off Auxiliary voltages are obtained, which are the internal, not directly measurable voltage drops of the Emulate the electrode holder and the electrodes or the furnace transformer.

4th Method according to claim 3, characterized in that the inner, not directly measurable voltage drops of the electrodes or of the furnace transformer the burden voltage of lying in the arc circuit, with apparent resistances loaded current transformers can be simulated.

5. The method of claim 1 or 2, characterized in that the ratio of the peak value of the arc voltage to the peak value of the arc circuit is approximately 0.43.

6. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the ratio of the rectified value of the arc voltage to the rectified value of the voltage of the arc circuit is approximately 0.67 .

7. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that because the ratio of the rms value of the arc voltage to the rms value of the Arc circuit voltage is approximately 0.61. B.

Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the ratio used as the controlled variable the peak values, the rectified values or the effective values as their difference is fed to the controller.

9. The method according to claim 1, characterized in that that when using the known impedance control of arc ports that Peak value, mean value or rms value ratio of the arc voltage to the Arc circuit voltage used as setpoint for impedance regulator will. Publications considered: Austrian patent specification no.220 920