DE2334080C3 - Schaltungsanordnung für die Speisung von Elektroden-Schmelzöfen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Speisen von Elektroden-Schmelzöfen, insbesondere zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen, aus dem Ein- oder Mehrphasennetz der örtlichen Stromversorgung.

ίο Schmelzöfen dieser Art für die Metallveredelung und Maßnahmen für deren Speisung sind aus der deutschen Auslegeschrift 19 17 494 bekannt, wo angeregt ist, die Ofenspeisung zur Erzielung optimaler metallurgischer Eigenschaften des zu erschmelzenden Metallgutes mit

einer gegenüber der Netzfrequenz wesentlich kleineren Frequenz zwischen etwa 5 und 10 Hz vermittels eines steuerbaren Wechselrichters mit veränderbarer Frequenz und Stromflußzeit durchzuführen.
Zur Steuerung der Heizleistung eines Schmelztiegels

ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 40 999 ein Verfahren bekannt, bei dem bis zur Erreichung einer vorbestimmten Betriebstemperatur ein programmiertes Signal vorgesehen wird, das an die Temperatur-Zeit-Abkühlungscharakteristik des Schmelztiegels angepaßt

und zu dieser umgekehrt proportional ist. Das Signal wird von der Temperatur des Schmelztiegels beim Einschalten der Heizleistung abhängig gemacht. Der Schmelztiegel wird durch eine Steuerung mit Hilfe des Signals mit einer Geschwindigkeit aufgeheizt, die zum

Temperatur-Zeit-Verlauf bei der Abkühlung des Schmelztiegels umgekehrt proportional ist. Dieses bekannte Verfahren bezieht sich jedoch nicht auf einen Schmelzofen, der über eine Stromrichteranordnung mit einem Steuersatz und einem Stromregler gespeist ist.

Die Erfindung geht von einer zwischen Netz und Ofenanlage vorgesehenen Umrichteranordnung aus, bei der die Stromflußzeiten und die Stromform der positiven und negativen Halbwelle des dem Stromrichter entnehmbaren Speisestroms für den Ofen den metallurgischen Forderungen einerseits sowie die Pausenzeiten zwischen den beiden Halbwellen den Eigenheiten (Schonzeiten) der dem Stromrichter zugeordneten Thyristorgruppen andererseits optimal angepaßt werden sollen. Die Erfindung befaßt sich mit

dem bei Elektroden-Schmelzofenspeisungen häufig auftretenden Problem, den Anfahrbetrieb zu erleichtern und einen Überlastungsschutz für die wertvollen Thyristoren selbst dann zu gewährleisten, wenn bei einer vorgesehenen Stromregelung mit vorgegebenem Stromsollwert und damit verglichenem Stromistwert des Ofens ein »Hochlaufen« der Stromreglerausgangsspannung etwa bei aus der Schmelze austauchender Elektrode oder bei der für die Einhaltung der Schonzeit der Thyristoren erforderlichen Strompause eintritt.

Die ideale Stromkurve für den Stromrichterbetrieb eines Elektroden-Schmelzofens würde bei einem kontinuierlich, d. h. sprungfrei, einstellbaren Frequenzbereich zwischen etwa 3 und 10 Hz ungefähr der Rechteckform für jede Halbwelle entsprechen, jedoch bei kreisstromfreien Schaltungen jeweils mit einer wegen der Schonzeit der Stromrichterthyristoren notwendigen Strompause zwischen diesen Halbwellen, welche mindestens der Freiwerdezeit der Thyristoren entsprechen, sicherheitshalber jedoch etwas größer als diese bemessen sein sollte. Die nicht vernachlässigbaren Zuleitungsinduktivitäten zu den Ofenanschlüssen einerseits und das Pl-Verhalten des zur Beeinflussung des dem Stromrichter vorgeschalteten Steuersatzes vorge-

sehenen Stromreglers andererseits, dem der in weiten Grenzen vorgebbare Stromsollwert und der Stromistwert eingegeben werden, bedingen eine von der Rechleckform abweichende Stromkurve mit nichtlinearen! Anstieg und Abfall in jeder Halbwelle. Das Bemühen, die Anfangssteilheit nach dem jeweiligen Null- oder Pausenwert zu erhöhen, bereitet jedoch Schwierigkeiten, weil ein »Überschießen« über den Stromsollwert unter allen Umständen in jeder Halbwelle vermieden werden muß. Eine Versteilerung der Abstiegsflanke der Halbwellenstromkurve ist erwünscht und anzustreben und durch Einwirken der für den Stromrichterbetrieb vorgesehenen iaktgebergesteuerten und auf den Steuersatz des Stromrichters einwirkenden, entsprechend ausgestalteten Kommandostufe auch möglich.

; Demgemäß besteht die Erfindung bei einer Schaltungsanordnung für aus dem Netz vermittels einer aus Steuersatz und vorgeschaltetem, vom Stromsollwert und Stromistwert beeinflußten Stromregler bestehenden Stromrichteranordnung gespeiste Elektroden-Schmelzöfen, insbesondere zum Elektroschlackenumjchmelzen von Metallen, darin, daß der als PI-Regler ausgebildete Stromregler zusätzlich durch eine Steuergröße beeinflußbar ist, die in Abhängigkeit von periodischen oder aperiodischen, den Schmelzvorgang im Ofen beeinträchtigenden betriebs- oder störungsbedingten Zuständen für deren Dauer die Stromregelung durch eine Spannungssteuerung ersetzt, welche die den Steuersatz des Stromrichters ansteuernde Spannung auf einen einstellbaren Wert nach oben begrenzt.

Die besonderen Regel-, Steuer- und Schutzmaßnahmen werden somit im wesentlichen durch Einwirken auf den Stromregler erzielt und können je nach Bedarfsfall einzeln oder gemeinsam angewendet werden. Ausführungsbeispitle hierfür werden an Hand von 2 Figuren näher erläutert.

In der F i g. 1 ist der Elektrodenschmelzofen schematisch durch den Tiegel T die Schlackenfüllung Sch und die Eintauchelektrode E symbolisiert. Elektrode E und Tiegel Γ sind an den Ausgang des Stromrichters SR angeschlossen, der primärseitig aus dem Drehstromnetz gespeist und in üblicher Weise über einen Steuersatz Si von einem als PI-Regler ausgebildeten Stromregler IR beeinflußt und zur Abgabe eines Ofenspeisewechselstroms von 0 bis z.B. 10 Hz besonderer Halbwellenform veranlaßt wird, die meist aus einem gekrümmten Anstiegsteil, einem annähernd horizontal verlaufenden Mittelteil und einem gekrümmten Abstiegsteil besteht. Zwischen jeder dieser abwechselnd positiven und negativen Halbwellen liegt eine stromflußfreie Pausenzeit, die mindestens gleich oder größer gehalten ist als die Freiwerdezeit der im Stromrichter SR vorgesehenen Thyristoren. Den Eingängen des Stromreglers IR wird der veränderbare Stromsollwert isoii und der aus dem dem Ofenspeisekreis zugeordneten Stromwandler Wentnommene Stromistwert iist eingegeben. Eine hier nicht näher veranschau-

Kommandostufe bestimmt seine dem Steuersatz St zugeführte Ausgangsspannung ust kann bis auf einen Maximalwert ansteigen, wenn und solange der Istwert iist kleiner als der Sollwert /so// ist. Der Stromistwert wird demnach dem vorgegebenen Siromsollwert ständig nachgeführt.

Beim Betrieb eines Elektroden-Schmelzofens können nun, besonders beim Anfahren, aber auch während des Schmelzvorganges, betriebliche oder störungsbedingte Zustände auftreten, die kurzzeitig den Stromdurchgang zwischen Elektrode, Schmelze und Tiegel unterbrechen, z. B, wenn die Elektrode aus dem Schmelzbad austaucht. Bei einer solchen Stromunterbrechung fehlt für deren Dauer der Stromistwert iist am Eingang des Stromreglers IR und der Regelkreis ist nicht mehr geschlossen. Als Folge hiervon wächst wegen dessen Pl-Verhalten die Steuerspannung ust am Ausgang des Stromreglers IR auf ihren Maximalwert und damit auch die Ausgangsspannung Ud am Stromrichterausgang. Beim Wiedereintauchen der Elektrode E in die Schmelze Sch ergeben sich in einem solchen Falle nicht tragbare Überströme, welche den elektrischen Teil der Ofenanlage O und auch das Schmelzgut gefährden können.

Ähnliche Verhältnisse können sich beim Anfahren des Ofens ergeben: Trotz hoher Elektrodenspannung fließt möglicherweise nur ein relativ kleiner Strom wegen des sich eventuell einstellenden hohen Übergangswiderstandes. Bei plötzlichem »Durchbruch« aber wurden sich momentan viel zu hohe Ströme ergeben. Deshalb sieht die Erfindung vor, in den Stromregler eine Zusatzsteuergröße einzugeben, die die Stromregelung durch eine Spannungssteuerung ersetzt. Das »Hochregeln« soll dadurch unterbunden und die Ausgangsspannung ust des Reglers IR auf einem Wert gehalten werden, der nur einen Ofenstrom von z. B. Viobis '/2 des Nennstromes bewirkt. Zur Durchführung dieser Schutzmaßnahme ist — wie die F i g. 1 zeigt — ein den Istwert überwachender Grenzwertmelder GM vorgesehen, der beim Über- und Unterschreiten eines durch das Potentiometer Rg festlegbaren Grenzwerts für den Stromistwert jeweils ein Signal verausgabt und über (eine Zeitkippstufe Z und) einen Elektronischen Schalter Sden Regler IR im Sinne einer Ausgangsspannungsbegrenzung beeinflußt.

Sobald der Stromistwert /«den am Grenzwertmelder GM durch RG einstellbaren Wert ig unterschreitet, sprechen der Grenzwertmelder GM sowie eine gegebenenfalls nachgeschaltete Zeitstufe Z an. Nach Ablauf einer an dieser einstellbaren Wartezeit wird von der Zeitstufe Zder Schalter S angesteuert, welcher den Maximalwert der Ausgangssteuerspannung us< nach oben begrenzt. Dieser Eingriff wird aufgehoben, sobald der Istwert den eingestellten Grenzwert ig wieder überschreitet; der Grenzwertmelder schaltet dann zurück, wobei der Schalter S wieder geöffnet wird. Damit wird an Stelle der Spannungssteuerung des Reglers IR wieder die Stromregelung wirksam. Die vorgesehene Zeitstufe zwischen dem Grenzwertmelder GM und dem Schalter S verhindert bei sehr kurzzeitig

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lichte taktgebergesteuerte iwniiu_a„u_Uo,_u,^ U^₁, _t

im Eingriff mit dem Stromregler und dem Steuersatz die 60 unterschwelligem Istwert ein dauerndes Hin- und Halbwellenfolge, Kurvenform und Frequenz des am Herschalten. Der Eingriff in den Regler IR kann durch Ausgang des Stromrichters SR abgegebenen Ofenspei- "

sewechselstroms, während der Effektivwert dieses Wechselstroms vom Stromregler IR auf Grund des vorgebbaren Stromsollwerts isoii im Vergleich mit dem Stromistwert /1« vorgegeben wird.

Da der Stromregler //?ein durch ein Serien-/?C-Glied überbrückter Verstärker ist, hat er Pl-Verhalten, d. h., Abziehen der Ladung des Rückführkondensators C mit der durch den Widerstand Rb bestimmten Zeitkonstante über den durchgesteuerten Schalttransistor FET bewirkt werden (Fig. la) oder durch Vorgabe einer Vorspannung mit dem Widerstand Rc an den Begrenzungseingang des Verstärkers V vermitteis des Schalttransistors FET\m Schalter S( F i g. Ib). Als Schalter S

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kann ein Feldeffekttransistor F£7"vorgesehen sein.

Eine Unterbrechung des den Ofen durchfließenden Stromes ist nicht nur beim Austauchen der Elektrode aus der Schmelze oder beim Anfahren möglich, sondern auch immer jeweils dann gegeben, wenn der Speisewechselstrom, der dem Stromrichter SR entnommen wird, durch Null geht, da wegen der Verwendung der im Stromrichter SR vorgesehenen Thyristoren beim Stromnulldurchgang eine Schonzeit eingehalten werden muß, die mindestens gleich der Freiwerdezeit sein, besser etwas länger anhalten, soll. Da diese Strompause nicht klein gegen die jeweilige Halbwellenzeit ist, müssen Vorkehrungen getroffen werden, die ein »Hochlaufen« des im Stromregler IR enthaltenen, durch das Serien- KC-Glied rückgekoppelten Verstärkers während dieser Pausenzeit verhindern, in welcher der Stromistwert Null ist. Andernfalls würde auf Grund der Stromregelung mit Beginn der folgenden Halbwelle die Elektrodenspannung und damit der Ofenstrom zu hoch werden, was Nachteile für die Charge nach sich ziehen oder sogar Überstromsicherungen zum Auslösen bringen könnte, womit bei dauerndem Stromausfall die Charge als verloren zu betrachten wäre.

Das geschilderte Betriebsverhalten könnte also bei Stromrichterbetrieb zu einer nicht tragbaren Betriebsstörung führen. Um dem entgegenzuwirken ist schon kurz vor oder zu Beginn und während der Strompausen eine Entladung (Kurzschluß) des in der Verstärkerrückführung des Stromreglers IR gelegenen Kondensators Canzustreben, was zur Folge hat, daß die Rückflanke jeder Stromhalbwelle in vorteilhafter Weise sehr steil abfällt, daß zum Nullwert des Halbwellenstromes infolge solcher Spannungssteuerung kein »Hochlaufen« des Verstärkers mehr möglich ist und daß die Wiederaufladung des Kondensators zu Beginn der nächsten Halbwelle vom Nullspannungswert dieses Kondensators aus erfolgt, sobald der Kurzschluß des Kondensators wieder aufgehoben und damit die Stromregelung wieder im Eingriff ist. Diese Schalt- und Steuermaßnahme kann durch die sowieso vorhandene Kommandostufe mitübernommen bzw. eingeleitet werden, wie dies in der F i g. 2 dargestellt ist.

Die Kommandostufe K ist — wie bei solchen Anlagen empfehlenswert — von einem Taktgeber TG gesteuert, dessen Taktfrequenz von 0 bis 10 Hz, z.B. durch ein Potential am Frequenzwähler FW, einstellbar ist. Ein Ausgang der Kommandostufe K beeinflußt den Steuersatz Si des Stromrichters SR und gibt diesem direkt oder — wie dargestellt — über einen Impulsverstärker IV vermittels der Steuerleitungen pH und nH vor, ob und wann die jeweilige Thyristorgruppe zur Bildung der positiven bzw. der negativen Halbwelle des Stromrichters SR angesteuert werden soll und zu welchen Zeitpunkten die Strompause zwischen jeweils zwei Halbwellen sowie deren Dauer festzulegen ist.

Da die Ausgangsleitungen pH (positive Halbwelle) und nH (negative Halbwelle) jeweils nur abwechselnd Steuersignalspannung führen dürfen und überdies während der Dauer der Strompausen beide keine Signaispannung abgeben, ist das Steuerkriterium für die Umschaltung des Stromreglers IR auf Spannungssteuerung somit jeweils dann gegeben, wenn die Signalspannung an einer der beiden Leitungen verschwindet. Dieser Zustand wird — wie veranschaulicht — durch eine Grenzwertmelde- und/oder NAND-Gatteranordnung G überwacht, die dann und nur dann ein Signal zu einem Schalter 5 verausgabt, wenn auf einer der beiden Leitungen pH oder nH das Ausgangssignal verschwindet. Währenddessen ist mit Sicherheit auf Grund der vorerwähnten Voraussetzungen die andere Leitung signalfrei. Durch das Ansprechen des Schalters S wird - wie aus der Nebenfigur 2a ersichtlich - der Kondensator C in der Rückführung des Verstärkers V des Stromreglers IR kurzgeschlossen. Dieser Kurzschluß wird erst dann wieder aufgehoben, wenn nach Abschluß der Strompause zwecks Bildung der nächsten Halbwelle wieder Steuersignal an der jeweils anderen der beiden Ausgangsleitungen pH, nH der Kommandostufe K erscheint. Der Schalter S sollte, wie auch in Fig.2a angedeutet, als Feldeffekttransistor FET ausgebildet sein, da die Schaltstrecke dieses Transistortyps in durchgesteuertem Zustand besonders niederohmig, schwellspannungsfrei und nicht stromrichtungsabhängig ist.

Die übrigen Bausteine der Fig.2 entsprechen in Aufbau und Schaltung denen der Fig. I, wobei der Schmelzofen O in der Fig.2 lediglich durch die induktive Last L und die ohmsche Last R symbolisiert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für aus dem Netz vermittels einer aus Steuersatz und vorgeschalteten, vom Stromsollwert und Stromistwert beeinflußten Stromregler bestehenden Stromrichteranordnung gespeiste Elektroden-Schmelzöfen, insbesondere zum Elektro-Schlackenumschmelzen von Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß der als PI-Regler ausgebildete Stromregler (IR) zusätzlich durch eine Steuergröße beeinflußbar ist, die in Abhängigkeit von periodischen oder aperiodischen, den Schmelzvorgang im Ofen beeinträchtigenden betriebs- oder störungsbedingten Zuständen für deren Dauer die Stromregelung durch eine Spannungssteuerung ersetzt, welche die den Steuersatz (St) des Stromrichters (SR) ansteuernde Spannung (usi) auf einen einstellbaren Wert nach oben begrenzt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertgröße des Ofenstroms durch eine Meßvorrichtung (GM) überwacht wird, die bei Schwankungen des Istwerts eine Schaltmaßnahme im Stromregler (7/ty auslöst.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert vermittels eines Grenzwertmelders (GM) mit einer Referenzspannung verglichen wird und daß bei unterschwelligem Istwert vom Grenzwertmelder, gegebenenfalls über ein Zeitglied (Z) ein Schalter (S) angesteuert wird, der die Stromregelung des Stromreglers (IR) in eine Spannungssteuerung überführt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße Ober einen Schalter (S) Stromkreise im Stromregler (IR) beeinflußt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße Bauelemente (C) in der Rückführung des Stromreglers (IR) beeinflußt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S) ein Feldeffekttransistor (FET) ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die betriebsmäßigen periodischen Istwertabsenkungen während der Strompausen durch eine Auswertvorrichtung (G, S) überwacht werden, die vor, zu Beginn und während der Strompause den in der Rückführung des Stromreglers (IR) vorgesehenen Kondensator (C) überbrückt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschluß des Rückführkondensators (C) durch einen Schalter (S) erfolgt, der vom Ausgangssignal einer Signalspannungen für die Stromrichtungssteuerung auswertenden Gatteranordnung (^gesteuert wird.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gatter (G,Jein N AN D-Gatter ist, dessen Eingänge an die die Halbwellenpolaritätdes Ausgangsstroms bestimmenden Ausgangsleitungen (pH, nH) einer Kommandostufe (K) angeschlossen sind, die in Abhängigkeit von einem Taktgeber (TG) Frequenz, Stromform, Halbwellenpolarität und -dauer, sowie die Pausendauer zwischen den Halbwellen des Ofenspeisestroms bestimmt und den Steuersatz (St) sowie gegebenenfalls einen zwischen Steuersatz und Stromrichter (SR)eingefügten Impulsverstärker (JV)beeinflußt.