DE19711453A1 - Verfahren zur Regelung bzw. Steuerung eines Schmelzprozesses in einem Drehstrom-Lichtbogenofen - Google Patents
Verfahren zur Regelung bzw. Steuerung eines Schmelzprozesses in einem Drehstrom-LichtbogenofenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung
zur Regelung bzw. Steuerung des Schmelzprozesses in einem
Drehstrom-Lichtbogenofen mit zumindest drei einzeln und un
abhängig voneinander in ihrer Höhe verstellbaren Elektroden.
In Drehstrom-Lichtbogenöfen wird Metallschrott mittels elek
trischer Energie eingeschmolzen, wobei in den drei Licht
bögen, die zwischen den Elektrodenspitzen und dem Schmelzgut
brennen, die für den Schmelzprozeß erforderliche Umwandlung
der elektrischen Energie in thermische Energie stattfindet.
Zur Prozeßsteuerung kann der Arbeitspunkt des Lichtbogen
ofens durch stufenweise Verstellung der dem Lichtbogenofen
über einen Ofentransformator zugeführten Spannung sowie
durch stufenlose getrennte Einstellung der Abstände zwischen
den Elektrodenspitzen und dem Schmelzgut verändert werden.
Durch Regelung der Elektrodenabstände zu dem Schmelzgut wird
der gewählte Arbeitspunkt gehalten. Dies geschieht zumeist
durch eine Impedanzregelung, indem für jede Elektrode aus
laufend gemessenen elektrischen Größen, wie der Strangspan
nung und dem Strangstrom, ein Impedanz-Istwert gebildet
wird, aus dessen Abweichung von einem vorgegebenen Impedanz-Soll
wert eine Stellgröße zur Höhenverstellung der jeweiligen
Elektrode bestimmt wird.
Um den Arbeitspunkt des Lichtbogenofens den veränderlichen
Anforderungen des Ofenbetriebs während des Schmelzprozesses
anzupassen, werden bei einem aus der EP-A-0 036 122 bekann
ten Verfahren die jeweils einer Spannungsstufe des Ofen
transformators zugeordneten Arbeitspunkte von vorbestimmten
Kennlinien des Ofenbetriebs als Impedanz-Sollwerte in einem
Digitalspeicher abgelegt. Aus diesem Digitalspeicher werden
dann von Hand durch das Ofenbedienpersonal während des
Schmelzprozesses geeignete Arbeitspunkte ausgewählt.
Die Vorgabe der Arbeitspunkte bzw. Impedanz-Sollwerte zur
Höheneinstellung der Elektroden erfolgt bisher in Abhängig
keit von zuvor definierten Prozeßphasen (erster Korb, zwei
ter Korb, Frischen) und Abschnitten innerhalb dieser Prozeß
phasen (Aufsetzen der Elektroden auf kaltem Schrott, Nie
derschmelzen, Fertigschmelzen auf flachem Schmelzbad), wobei
die Impedanz-Sollwerte während dieser Abschnitte jeweils
fest vorgegeben sind. Diese bisherige Vorgehensweise basiert
auf der Annahme, daß sich innerhalb eines Abschnittes genü
gend gleichbleibende, von Charge zu Charge reproduzierbare
Verhältnisse finden. Nach ähnlichen Grundsätzen geschieht
auch eine statische Symmetrierung des Drehstrom-Lichtbogen
ofens.
Auf der Basis von näheren Kenntnissen über das Verhalten von
Wechselstrom-Lichtbögen in Drehstrom-Lichtbogenöfen kann man
jedoch davon ausgehen, daß die Voraussetzungen für eine sta
tische Einstellung des Lichtbogenofens nicht zutreffen.
Vielmehr ist davon auszugehen, daß sich die Verhältnisse in
den einzelnen Lichtbögen auch während der Abschnitte der
Prozeßphasen ändern, wobei insbesondere unsymmetrische Be
triebsverhältnisse in dem Drehstrom-Lichtbogenofen in bezug
auf die Anordnung der Elektroden auftreten können. Werden
dann die Impedanz-Sollwerte unter der Annahme symmetrischer
Bedingungen im Lichtbogenofen symmetrisch und stationär ein
gestellt, so führt dies bei tatsächlich unsymmetrischen
Ofenverhältnissen zu unterschiedlichen Stellgrößen, die dann
über die Höhenverstellung der Elektroden unterschiedlich
lange Lichtbögen einstellen. Dabei ist eine optimale Aus
nutzung der dem Lichtbogenofen zugeführten Leistung nicht
möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Lei
stungsabgabe der Elektroden zu erhöhen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß
Anspruch 1 bzw. Einrichtung gemäß Anspruch 12 gelöst. Dabei
wird bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Dreh
strom-Lichtbogenofens in der Umgebung einer Elektrode die
Leistungsabgabe dieser Elektrode derart verringert, daß eine
Überhitzung des Drehstrom-Lichtbogenofens verhindert wird
und die Leistungsabgabe der anderen Elektroden oder eines
Teils der Elektroden derart erhöht, daß die Gesamtleistungs
abgabe der Elektroden bei vorgegebener Spannung maximal ist.
Dabei werden vorteilhafterweise die Impedanzen in den
Strompfaden der Elektroden im Sinne einer Maximierung der
Gesamtleistungsabgabe der Elektroden optimiert, wobei bei
Erreichen einer kritischen Temperatur des Drehstrom-Licht
bogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Lei
stungsabgabe dieser Elektrode auf einen Maximalwert begrenzt
wird und wobei dieser Maximalwert im Sinne einer Nebenbedin
gung bei der Optimierung, wie sie z. B. die DE 44 15 727 of
fenbart, berücksichtigt wird. Wird dabei die Versorgungs
spannung der Elektroden nicht reduziert, solange eine zweite
kritische Temperaturgrenze überschritten wird, wird eine Er
höhung der Produktionsleistung um ca. 7 bis 12% erreicht.
Dieser Optimierungsprozeß erfolgt in besonders vorteilhafter
Weise on-line.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt bei ei
ner Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung
einer Elektrode oberhalb einer ersten kritischen Temperatur
grenze und unterhalb einer zweiten kritischen Temperatur
grenze eine Umverteilung der Leistungsabgabe der einzelnen
Elektroden, wobei die Versorgungsspannung der Elektroden
konstant gehalten wird. Bei einer Temperatur des Drehstrom-Licht
bogenofens in der Umgebung einer Elektrode oberhalb der
zweiten kritischen Temperaturgrenze erfolgt vorteilhafter
weise eine Umverteilung der Leistungsabgabe der einzelnen
Elektroden, wobei die Versorgungsspannung der Elektroden
verringert wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer
Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung ei
ner Elektrode oberhalb einer dritten kritischen Temperatur
grenze, die oberhalb der zweiten kritischen Temperaturgrenze
liegt, die Versorgungsspannung der Elektroden stark verrin
gert. Diese Ausführung verdeutlicht Fig. 5.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert besonders zuver
lässig, wenn anstelle der gemessenen oder geschätzten Werte
für die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens vorausge
schätzte Temperaturwerte verwendet werden. Diese Voraus
schätzung erfolgt vorteilhafterweise mit einem Gradienten
verfahren oder einem Temperaturmodell, wobei das Temperatur
modell ein analytisches Modell oder ein neuronales Netz sein
kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Tempe
ratur des Drehstrom-Lichtbogenofens derart geregelt, daß die
Wirkleistungsabgabe einer Elektrode verringert wird, wenn
die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens eine Solltempe
ratur überschreitet und die Wirkleistungsabgabe vergrößert
wird, wenn die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens eine
Solltemperatur unterschreitet. Dabei entspricht die Solltem
peratur vorteilhafterweise einer kritischen Temperaturgren
ze, die im Bereich einer gerade noch zulässigen Temperatur
des Drehstrom-Lichtbogenofens liegt.
Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispie
len, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Un
teransprüchen. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Drehstrom-Licht
bogenofens mit einem vorgeschalteten Ofentransforma
tor und einer erfindungsgemäßen Regelanordnung,
Fig. 2 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild des
Drehstrom-Lichtbogenofens,
Fig. 3 eine Leistungsregelung,
Fig. 4 eine Leistungsregelung in alternativer Ausgestaltung
und
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Impedanzregelung.
Fig. 1 zeigt einen Drehstrom-Lichtbogenofen, bei dem drei
Graphitelektroden 1, 2 und 3 durch Öffnungen in einem Ofen
deckel 4 hindurch in ein Ofengefäß 5 ragen, in das als
Schmelzgut Metallschrott 6 eingebracht ist. Die Elektroden
1, 2 und 3 sind über einen stufenweise verstellbaren Ofen
transformator 7 an ein Drehstromnetz 8 angeschlossen. Zwi
schen den Spitzen der Elektroden 1, 2 und 3 und dem Schmelz
gut 6 bilden sich Lichtbögen 9 aus, in denen die dem Licht
bogenofen zugeführte elektrische Energie in thermische Ener
gie zum Schmelzen des Schmelzgutes 6 umgewandelt wird.
Jede Elektrode 1, 2 und 3 ist mit einer Regelanordnung aus
gestattet. Da die Regelanordnungen einander im Aufbau genau
entsprechen, ist nur die Regelanordnung für die Elektrode 1
näher dargestellt. Die Elektrode 1 ist, wie auch die jeweils
anderen Elektroden 2 und 3, an einem Tragarm 17 befestigt,
der über eine hydraulische Anstellvorrichtung 10 mit einem
elektrohydraulischen Stellglied 11 höhenverstellbar ist, wo
durch eine Einstellung der Lichtbogenlänge möglich ist. Das
Stellglied 11 ist an dem Ausgang eines Impedanzreglers 12
angeschlossen. Über einen Stromwandler 13 und einen Span
nungswandler 14 werden der durch die Elektrode 1 fließende
Strangstrom i1 und die Strangspannung u1M zwischen der zuge
hörigen Sekundärklemme des Ofentransformators 7 und dem
durch das Ofengefäß 5 mit dem Schmelzgut 6 gebildeten Stern
punkt erfaßt und in einer Meßeinrichtung 15 in einen Im
pedanz-Istwert Z1 des betreffenden Ofenstrangs umgerechnet.
Dieser Impedanz-Istwert Z1 wird in einem Summierpunkt 16 mit
einem vorgegebenen Impedanz-Sollwert Z1* für den betref
fenden Strang verglichen. Die so erhaltene Regelabweichung
ΔZ1 wird als Eingangsgröße dem Impedanzregler 12 zugeführt,
welcher in Abhängigkeit von der Regelabweichung ΔZ1 ein
Stellsignal S1 zur Höhenverstellung der Elektrode 1 erzeugte.
Die Impedanz-Sollwerte Z1*, Z2* und Z3* werden mittels eines
erfindungsgemäßen Impedanzoptimierers 30 ermittelt. Der Im
pedanzoptimierer 30 errechnet die Impedanz-Sollwerte Z1*,
Z2* und Z3* derart, daß die Leistungsabgabe der Elektrode 1, 2, 3
maximal ist. Mittels einer Temperaturmeßeinrichtung 31
wird die Temperatur T des Drehstrom-Lichtbogenofens über
wacht. Überschreitet die Temperatur T des Drehstrom-Licht
bogenofens eine erste kritische Temperaturgrenze in der
Nähe einer Elektrode 1, so wird die Wirkleistungsabgabe der
Elektrode 1 dadurch begrenzt, daß die Wirkleistungsabgabe
zumindest einer der anderen Elektroden erhöht wird, wobei
die Sekundärspannung des Transformators 7 nicht verändert
wird. Die Impedanz-Soll-Werte Z1*, Z2* und Z3* werden dabei
derartig berechnet, daß die Gesamtleistungsabgabe maximal
ist, ohne daß die maximal zulässige Wirkleistungsabgabe für
Elektrode 1 überschritten wird. Wird die erste kritische
Temperaturgrenze in der Nähe aller Elektroden 1, 2 und 3
überschritten, so wird die Sekundärspannung des Transforma
tors 7 verringert. Die Sekundärspannung des Transformators 7
wird außerdem dann verringert, wenn eine zweite kritische
Temperaturgrenze in der Nähe einer Elektrode 1 überschritten
wird.
Der Impedanzoptimierer 30 und der Impedanzregler sind vor
teilhafterweise auf einer Steuerungs- bzw. Regelungseinrich
tung 32 implementiert.
Wie das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild eines
Drehstrom-Lichtbogenofens in Fig. 2 zeigt, stellt der Dreh
strom-Lichtbogenofen einen im Stern geschalteten unsymmetri
schen und zeitvarianten ohmsch-induktiven Verbraucher dar,
dessen freier Sternpunkt M von dem Schmelzgut 6 gebildet
wird. Die den einzelnen Strängen zugeordneten elektrischen
Größen sind entsprechend den zugehörigen Elektroden in Fig. 1
mit den Indizes k = 1, 2, 3 versehen. Mit u12, u23 und u13
sind die verketteten Spannungen zwischen den Ofensträngen
und mit i1, i2 und i3 die einzelnen Strangströme bezeichnet.
Die von den Elektroden 1, 2 und 3 und deren Zuleitungen ge
bildeten Leitungsresistanzen RL1, RL2 und RL3 und Lei
tungsreaktanzen XL1, XL2 und XL3 können im Kurzschluß
versuch, also beim Aufsetzen der Elektroden 1, 2 und 3 auf
dem Metallschrott 6 meßtechnisch bestimmt werden.
Das elektrische Verhalten eines Lichtbogens 9 wird durch ei
ne nichtlineare und unstetige Strom-Spannungs-Kennlinie be
schrieben, deren Verlauf von dem Abstand der Elektroden
spitze zur Schmelze abhängig ist. In dem dargestellten Er
satzschaltbild wird jeder Lichtbogen 9 jeweils durch eine
Lichtbogenresistanz Rb1, Rb2, Rb3 und eine Lichtbogenreak
tanz Xb1, Xb2, Xb3 ersetzt. Die Lichtbogenresistanz und
-reaktanz jedes einzelnen Lichtbogens 9 ist nicht nur von
der Länge des betreffenden Lichtbogens 9, sondern auch von
den Lichtbogenlängen der jeweils anderen Lichtbögen abhän
gig. Wird also z. B. der Abstand der Elektrode 1 zu der
Schmelze 6 verändert, so ändern sich neben der Lichtbogenre
sistanz Rb1 und der Lichtbogenreaktanz Xb1 auch die Lichtbo
genresistanzen Rb2 und Rb3 und die Lichtbogenreaktanzen Xb2
und Xb3.
Die Wirkleistung, die in den einzelnen Lichtbögen umgesetzt
wird, läßt sich mit Hilfe der komplexen Wechselstromrechnung
für das linearisierte Ersatzschaltbild nach Fig. 2 berechnen.
Werden dabei in jedem Strang die Reaktanzen XLk und Xbk zu
einer Betriebsreaktanz Xk und die Resistanzen RLk und Rbk
unter Vernachlässigung der Leitungsverlustwiderstände RLk zu
einer Betriebsresistanz Rk mit k = 1, 2, 3 zusammengefaßt,
so ergibt sich für die Wirkleistungen Pk in den einzelnen
Lichtbögen 9:
P1 = P1(U0, R1, R2, R3, X1, X2, X3)
P2 = P2(U0, R1, R2, R3, X1, X2, X3)
P3 = P3(U0, R1, R2, R3, X1, X2, X3).
P1 = P1(U0, R1, R2, R3, X1, X2, X3)
P2 = P2(U0, R1, R2, R3, X1, X2, X3)
P3 = P3(U0, R1, R2, R3, X1, X2, X3).
Dabei bezeichnet U0 den über den Ofentransformator 7 ein
gestellten Effektivwert der verketteten Spannung des als
symmetrisch angenommenen Dreiphasensystems. Für die in den
Lichtbögen 9 umgesetzte Gesamtwirkleistung gilt
P = Σ Pk(U0, R1, R2, R3, X1, X2, X3) mit k 1, 2, 3.
P = Σ Pk(U0, R1, R2, R3, X1, X2, X3) mit k 1, 2, 3.
Wie bereits erwähnt, verändern sich die Resistanzen Rk und
Reaktanzen Xk in jedem Ofenstrang mit der Lichtbogenlänge,
wobei es jedoch einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen
den Resistanzen Rk und den Reaktanzen Xk gibt. Wenn dieser
Zusammenhang bekannt ist, reduziert sich die Anzahl der un
bekannten Größen, von denen die Gesamtwirkleistung in den
Lichtbögen abhängig ist, auf vier. Zur Maximierung der Ge
samtwirkleistung P können diese vier Größen mit Hilfe der
vier zur Verfügung stehenden Stellgrößen, nämlich der Trans
formatorspannung U0 und den drei Stellgrößen S1, S2 und S3
zur Höhenverstellung der einzelnen Elektroden 1, 2 und 3
eingeregelt werden. Mit anderen Worten: Wenn die nicht
linearen Zusammenhänge zwischen den Resistanzen Rk und Reak
tanzen Xk durch eine nichtlineare Funktion Xk = NNk(R1, R2,
R3) beschrieben werden können, ergibt sich am Maximum der
Gesamtwirkleistung P ein optimales Widerstandstripel R1opt,
R2opt, R3opt, woraus sich wiederum mit den Funktionen NNk
die optimalen Soll-Impedanzen Z1*, Z2* und Z3* für die Impe
danzregelung und damit die Höhenverstellung der Elektroden
1, 2, 3 berechnen lassen.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Regelung des Schmelzprozes
ses in dem Drehstrom-Lichtbogenofen anhand eines Block
schaltbildes. Der Lichtbogenofen 18 wird aus dem Ofentrans
formator 7 mit den verketteten Spannungen u12, u23 und u13
gespeist. Die Abstände der Elektroden 1, 2 und 3 zu dem
Schmelzgut 6 werden in Abhängigkeit von Stellsignalen S1,
S2, S3 eingestellt, die von den Elektroden 1, 2 und 3 ein
zeln zugeordneten und hier in einer Impedanzregelanordnung
19 zusammengefaßten Impedanzreglern 12 bereitgestellt wer
den. Die Impedanzregelanordnung 19 erzeugt dabei die Stell
signale S1, S2, S3 in Abhängigkeit von den Regelabweichungen
zwischen vorgegebenen Impedanz-Sollwerten Z1*, Z2*, Z3* und
gemessenen Impedanz-Istwerten Z1, Z2, Z3 des Lichtbogenofens
18. In einer Meßeinrichtung 20 werden die Strangspannungen
u1M, u2M, u3M und Strangströme i1, i2, i3 mit hoher Ab
tastrate kontinuierlich abgetastet und im Takt der Grund
schwingungsperiode aufbereitet. Dabei werden aus den gemes
senen Größen ukM und ikM mit k = 1, 2, 3 die Effektivwerte
der Strangspannungen U1, U2, U3, die Effektivwerte der
Strangströme I1, I2, I3, die Strangwirkleistungen P1, P2, P3
und die Ofenimpedanzen, also die Impedanz-Istwerte Z1, Z2,
Z3 mit Zkt = Uk/Ik berechnet. Zusammen mit den Impedanz-Ist
werten werden auch die zugehörigen Resistanz-Istwerte R1,
R2, R3 mit Rk = Pk/Ik 2 und die Reaktanz-Istwerte X1, X2, X3
mit Xk = (Zk 2 - Rk 2)1/2 berechnet. Schließlich werden auch
noch die thermischen Wandbelastungen V1, V2, V3 des Lichtbo
genofens 18 durch die Lichtbögen 9 mit z. B. Vk = Pk 2/Ik 2
bestimmt.
Die laufend ermittelten Resistanz-Istwerte R1, R2, R3 werden
einem neuronalen Netzwerk 21 zugeführt, das dazu dient, die
Zusammenhänge zwischen den gemessenen Resistanz-Istwerten
R1, R2, R3 und den Reaktanz-Istwerten X1, X2, X3 lernend zu
bestimmen. Dazu erzeugt das neuronale Netzwerk 21 ausgangs
seitig drei Netzwerkantworten XNN1, XNN2, XNN3, die in einer
Vergleichseinrichtung 22 mit den zugeordneten Reaktanz-Ist
werten X1, X2, X3 verglichen werden. In Abhängigkeit von
den Vergleichsergebnissen werden in einem Lernalgorithmus 23
die Netzwerkparameter αNN1, αNN2, αNN3 des neuronalen Netz
werkes 21 im Sinne einer Verringerung der Abweichungen zwi
schen den Netzwerkantworten XNNk und den Reaktanz-Istwerten
Xk verändert. Auf diese Weise werden die Zusammenhänge zwi
schen den Resistanzen Rk und den Reaktanzen Xk gelernt, wo
bei das so erhaltene Wissen ständig in Abhängigkeit von dem
laufenden Prozeßgeschehen aktualisiert wird. Anstelle eines
einzigen neuronalen Netzwerkes können auch drei verschiedene
neuronale Netzwerke vorgesehen werden, denen eingangsseitig
jeweils alle Resistanz-Istwerte R1, R2, R3 zugeführt werden
und von denen jedes neuronale Netzwerk jeweils eine Netz
werkantwort XNNk liefert.
Der gelernte Zusammenhang Xk = NNk(R1, R2, R3) wird in eine
Recheneinrichtung 24 übertragen, in der auf der Grundlage
des in Fig. 2 gezeigten Ersatzschaltbildes die Gesamtwirk
leistung P der Lichtbögen 9 als Funktion des Effektivwertes
der verketteten Spannung U0, der Resistanzen R1, R2, R3 und
der Reaktanzen x1, x2, x3 dargestellt wird. Bei einer vor
gegebenen Spannungsstufe U0 ergibt sich die maximale Wirk
leistung Pmax aufgrund der Bedingung ∂P/∂R1 = 0, ∂P/R2 = 0
und ∂P/∂R3 = 0. Durch Lösung dieser Gleichungen erhält man
am Maximum der Wirkleistung Pmax die Resistanzwerte R1opt,
R2opt, R3opt mit Rkopt = Rkopt(X1, X2, X3). Aufgrund des ge
lernten Zusammenhangs Xk = NNk(R1, R2, R3) erhält man in ei
nem nächsten Schritt die zu den Resistanzen R1opt, R2opt,
R3opt zugehörigen Reaktanzen X1opt, X2opt, X3opt und damit
schließlich die Impedanz-Sollwerte Z1*, Z2*, Z3* mit Zk* =
(Rkopt 2 + Xkopt 2)1/2.
Die oben angegebene Bedingung, daß die Ableitung der Gesamt
wirkleistung P am Optimum nach den Resistanzen Rk null wird,
ist nur zulässig, wenn keine Randbedingungen vorliegen und
das globale Optimum erreicht werden kann. Da jedoch in der
Regel Randbedingungen für die Strangströme ik, die ther
mische Wandbelastung Vk und die Resistanzen Rk existieren,
besteht die Optimierungsaufgabe in einer Maximierung der Ge
samtwirkleistung P unter Einhaltung der Randbedingungen. Die
Randbedingungen können beliebige nichtlineare Funktionen der
Größen U0, R1, R2, R3, X1, X2, X3 sein, wobei jedoch die Zu
sammenhänge zwischen den Größen Rk und Xk aus dem in dem
neuronalen Netzwerk 21 enthaltenen Wissen bekannt sind. Bei
dem in Fig. 3 gezeigten Blockschaltbild werden in einer Re
cheneinheit 25 aus den ermittelten thermischen Wandbela
stungen V1, V2, V3 die Nebenbedingungen für die Maximierung
der Gesamtwirkleistung P ermittelt und der Recheneinrichtung
24 übergeben.
Eine alternative Ausführungsform zeigt Fig. 4. Dabei werden
anstelle der thermischen Wandbelastungen Temperaturmeßwerte
T, die mit einer Meßeinrichtung 26 ermittelt werden, verwen
det. Überschreiten die Temperaturmeßwerte oder die ermittel
ten Wandbelastungen bestimmte kritische Werte, so wird in
besonders vorteilhafter Ausgestaltung die Spannungsstufe U0,
mit der der Ofentransformator 7 eingestellt wird, nicht ver
ringert. Eine Verringerung der Spannungsstufe U0 erfolgt
erst nach Überschreiten einer zweiten kritischen Temperatur
grenze, die oberhalb der ersten kritischen Temperaturgrenze
liegt.
In weiterhin alternativer Ausgestaltungsform werden sowohl
die thermischen Wandbelastungen V1, V2, V3 ermittelt sowie
Temperaturmeßwerte T mit einer Meßeinrichtung 26 ermittelt.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Impedanzregelung. Dreh
strom-Lichtbogenöfen besitzen in der Regel am oberen Teil
der Wand sogenannte Kühlkästen, die die Aufgabe besitzen,
den Teil der Strahlungsenergie, der nicht ins Stahlbad, son
dern an die Wand strahlt, abzuführen. Diese Kühlkästen ar
beiten typischerweise mit Verdampfungskühlung oder mit Was
serkühlung. Wenn die Strahlungsenergie, die direkt an die
Kühlkästen strahlt, zu groß wird bzw. über einen gewissen
Zeitraum zu groß ist, dann können die Kühlkästen die Energie
nicht mehr vollständig abführen. Dies wird im Fall der Ver
dampfungskühlung durch einen Rückgang der Durchflußmenge an
gezeigt und im Fall der Wasserkühlung durch einen Anstieg
der Wasserrücklauftemperatur.
Eine Überlastung der Kühlkästen ist zu vermeiden, da einer
seits die Kühlkästen beschädigt werden und andererseits eine
Überlastung auch als Maß für den Feuerfest-Verschleiß am un
teren Teil der Wand des Lichtbogenofens angesehen werden
kann. Deswegen muß eine Regelung auf eine Wärmebeaufschla
gung auf die Kühlkästen reagieren. Bisher geschah dies in
der Regel dadurch, daß die Sekundärspannung heruntergestuft
wurde und damit auch die Gesamtwirkleistung merklich redu
ziert wurde.
Es hat sich gezeigt, daß normalerweise nicht an allen Kühl
kästen gleichzeitig eine Wärmebeaufschlagung auftritt, son
dern meist nur an einem Kühlkasten bzw. an Kühlkästen, die
im Bereich einer der drei Elektroden plaziert sind. (Jeder
Kühlkasten wird derjenigen Elektrode zugeordnet, zu der der
Abstand am kleinsten ist). Die erfindungsgemäße Regelung
reagiert auf eine Wärmebeaufschlagung, die nur im Bereich
einer Elektrode stattfindet, dadurch, daß bei gleichbleiben
der Sekundärspannung die Strahlungsleistung der betroffenen
Elektrode reduziert wird und zumindest ein Teil dieser Lei
stung an die beiden anderen Elektroden abgegeben wird. Dies
wird durch eine gezielte Änderung der drei Strangimpedanzen,
d. h. den Impedanzen in den Strompfaden der Elektroden, er
reicht. Die drei Strangimpedanzen werden werden mittels ei
nes Optimierungsverfahrens eingestellt. Dabei wird die Ge
samtwirkleistung maximiert mit der Rand- bzw. Nebenbedin
gung, daß die Leistung der betroffenen Elektrode um einen
bestimmten Reduktionsfaktor F reduziert wird gegenüber der
Leistung zu der Zeit, in der die Wärmebeaufschlagung statt
fand.
Die Regelung unterscheidet dabei, wie in Fig. 5 gezeigt,
vier unterschiedliche Fälle:
- 1. Liegt die Wärmebeaufschlagung unter einer Konstante DQ_K1, die einer ersten kritischen Temperaturgrenze entspricht, dann erfolgt kein Eingriff und die Regelung stellt die Strangimpdanzen so ein, daß die Gesamtwirkleistung aller drei Elektroden maximiert wird.
- 2. Liegt die Wärmebeaufschlagung zwischen den Konstanten
DQ_K1 und DQ_K2, die einer zweiten kritischen Temperatur
grenze entspricht, dann erfolgt eine Umverteilung der Lei
stung von der betroffenen Elektrode auf die beiden anderen
Elektroden, ohne daß die Sekundärspannung heruntergestuft
wird. Die Leistung der betroffenen Elektrode wird um einen
Reduktionsfaktor reduziert, der davon abhängt, wie stark
die Wärmebeaufschlagung ist. Der Reduktionsfaktor F wird
vorteilhafterweise z. B. mit
berechnet, wobei mit W die Wärmebeaufschlagung bezeichnet wird. - 3. Liegt die Wärmebeaufschlagung zwischen DQ_K2 und DQ_K3,
die einer dritten kritischen Temperaturgrenze entspricht,
dann erfolgt wegen der sehr großen Wärmebeaufschlagung so
wohl ein Herunterstufen der Sekundärspannung als auch eine
Umverteilung der Leistung der betroffenen Elektrode auf
die anderen Elektroden. Z.B. könnte der Reduktionsfaktor
F = 0.9
betragen. - 4. Liegt die Wärmebeaufschlagung über DQ_K3, dann wird die Sekundärspannung als eine Art Notaus auf eine sehr niedri ge Trafostufe heruntergestuft.
Der Wert des Reduktionsfaktors F und die Konstanten DQ_K1,
DQ_K2 und DQ_K3 werden an die Art der Kühlkästen und die
Verhältnisse des Lichtbogenofens angepaßt. So können z. B. im
Falle einer Verdampfungskühlung die Konstanten so gewählt
werden, daß sie bei 10, 20 und 50 Prozent Durchflußrückgang
liegen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Im Falle einer Wasser
kühlung könnten sie z. B. vorteilhafterweise so gewählt wer
den, daß sie bei 80, 90 und 105 Grad Celsius der Rücklauf
temperatur liegen.
Die Reduktion der Leistung der betroffenen Elektrode um den
Faktor F wird solange aufrechterhalten, bis die Wärmebeauf
schlagung abgebaut ist.
Die kritischen Temperaturgrenzen können also Temperaturen im
eigentlichen Sinne, wie z. B. Kühlmitteltemperaturen oder
äquivalente Größen, wie z. B. der Durchflußrückgang bei Ver
dampfungskühlung, sein.
Die Vorteile der Erfindung liegen zum einen in der Steige
rung der Produktionsgeschwindigkeit als auch in der Verrin
gerung der Schaltstufen des Versorgungstransformators. Neben
der erheblichen Kostenreduktion durch die Steigerung der
Produktionsgeschwindigkeit hat auch die Verringerung der
Schaltvorgänge im Versorgungstrafo einen hohen wirtschaftli
chen Vorteil. Die Schaltvorgänge beim Versorgungstrafo sind
die wesentlichen, die Lebensdauer des Trafos verringernden
und die Wartungshäufigkeit erhöhenden Einflußgrößen. Somit
verringert die Erfindung die Häufigkeit der Wartungsarbeiten
am Versorgungstrafo. Dies wiederum führt zu deutlichen Ko
steneinsparungen und erhöht die Verfügbarkeit des Drehstrom-Licht
bogenofens.
Claims (12)
1. Verfahren zur Regelung bzw. Steuerung des Schmelzprozesses
in einem Drehstrom-Lichtbogenofen mit zumindest drei, einzeln
und unabhängig von einander in ihrer Höhe verstellbaren Elek
troden, wobei jeder Phase des den Drehstrom-Lichtbogenofen
speisenden Drehstroms zumindest eine Elektrode zugeordnet
ist, und wobei die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens,
insbesondere an überhitzungsgefährdeten Stellen, wie etwa den
Wänden des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Nähe der Elektro
den, überwacht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Drehstrom-Licht
bogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Lei
stungsabgabe dieser Elektrode derart verringert wird, daß ei
ne Überhitzung des Drehstrom-Lichtbogenofens verhindert wird,
und daß die Leistungsabgabe der anderen Elektroden oder eines
Teils der anderen Elektroden derart erhöht wird, daß die Ge
samtleistungsabgabe der Elektroden bei vorgegebener Spannung
maximal ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Drehstrom-Licht
bogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Impedanz
im Strompfad dieser Elektrode derart erhöht wird, daß eine
Überhitzung des Drehstrom-Lichtbogenofens verhindert wird,
wobei die Impedanzen in den Strompfaden der anderen Elektro
den oder eines Teils der anderen Elektroden derart verringert
werden, daß die Gesamtleistungsabgabe der Elektroden maximal
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Drehstrom-Licht
bogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Impedanz
im Strompfad dieser Elektrode durch Höhenverstellung dieser
Elektrode derart verringert wird, daß eine Überhitzung des
Drehstrom-Lichtbogenofens verhindert wird, wobei die Impedan
zen in den Strompfaden der anderen Elektroden oder eines
Teils der anderen Elektroden durch Höhenverstellung derart
verringert werden, daß die Gesamtleistungsabgabe der Elektro
den maximal ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Impedanzen in den Strompfaden der Elektroden im Sinne
einer Maximierung der Gesamtleistungsabgabe der Elektroden
optimiert werden, wobei bei Erreichen einer kritischen Tempe
ratur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung einer
Elektrode die Leistungsabgabe dieser Elektrode auf einen Ma
ximalwert begrenzt wird und wobei dieser Maximalwert im Sinne
einer Nebenbedingung bei der Optimierung berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ströme durch die Elektroden auf einen Maximalwert be
grenzt werden, wobei diese Maximalwerte im Sinne einer Neben
bedingung bei der Optimierung berücksichtigt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Optimierung on-line erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 2, 3, 4, 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der
Umgebung einer Elektrode oberhalb einer ersten kritischen
Temperaturgrenze und unterhalb einer zweiten kritischen Tem
peraturgrenze eine Umverteilung der Leistungsabgabe der ein
zelnen Elektroden erfolgt, wobei die Versorgungsspannung der
Elektroden konstant gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der
Umgebung einer Elektrode oberhalb der zweiten kritischen Tem
peraturgrenze eine Umverteilung der Leistungsabgabe der ein
zelnen Elektroden erfolgt, wobei die Versorgungsspannung der
Elektroden verringert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der
Umgebung einer Elektrode oberhalb einer dritten kritischen
Temperaturgrenze, die oberhalb der zweiten kritischen Tempe
raturgrenze liegt, die Versorgungsspannung der Elektroden
stark verringert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens, insbesonde
re mittels eines Gradientenverfahrens oder eines Temperatur
modells, vorausgeschätzt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistungsabgabe einer Elektrode, deren Wirkleistungs
abgabe aufgrund einer zu hohen Temperatur des Drehstrom-Licht
bogenofens in der Umgebung dieser Elektrode begrenzt
ist, im Sinne einer Temperaturregelung vergrößert wird, wenn
die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens sinkt und ver
ringert wird, wenn sich die Temperatur des Drehstrom-Licht
bogenofens erhöht, wobei dieser Temperaturregelung vor
teilhafterweise eine kritische Ofentemperatur als Solltempe
ratur vorgegeben wird.
12. Drehstrom-Lichtbogenofen mit zumindest drei, einzeln und
unabhängig von einander in ihrer Höhe verstellbaren Elektro
den und einer Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung, insbe
sondere zur Steuerung bzw. Regelung des Drehstrom-Lichtbogen
ofens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder
Phase des den Drehstrom-Lichtbogenofen speisenden Drehstroms
zumindest eine Elektrode zugeordnet ist, und wobei die Tempe
ratur des Drehstrom-Lichtbogenofens, insbesondere an überhit
zungsgefährdeten Stellen, wie etwa den Wänden des Drehstrom-Licht
bogenofens in der Nähe der Elektroden, überwacht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung derart ausge
bildet ist, die sie bei Erreichen einer kritischen Temperatur
des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung einer Elektrode
die Leistungsabgabe dieser Elektrode derart verringert, daß
eine Überhitzung des Drehstrom-Lichtbogenofens verhindert
wird, und daß sie die Leistungsabgabe der anderen Elektroden
oder eines Teils der anderen Elektroden derart erhöht, daß
die Gesamtleistungsabgabe der Elektroden konstant oder annä
hernd konstant bleibt.
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