DE2440960B2

DE2440960B2 - Einrichtung zur Elektrodenregelung in einem Schmelzofen mit frei brennendem Lichtbogen

Info

Publication number: DE2440960B2
Application number: DE2440960A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Prof. Dr.- Ing. 3392 Clausthal-Zellerfeld Bretthauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-27
Filing date: 1974-08-27
Publication date: 1978-10-19
Also published as: DE2440960A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Elektrodenregelung in einem Schmelzofen mit frei brennenden Lichtbogen in Abhängigkeit von den aus den Strangspannungen und aus Wirk- und Blindspannungsabfällen auf den Hochstromleitungen ermittelten Lichtbogenspannungen.

Lichtbogenofen sind niederohmige Verbraucher, da sie bei hohen Strömen mit relativ niedrigen Spannungen betrieben werden. Durch die hohen Ströme werden starke magnetische Wechselfelder erzeugt, die in allen Schleifen des Systems im Vergleich zur Netzspannung nicht unbeträchtliche Spannungen induzieren können. Diese induzierten Spannungen führen zu der sogenannten scharfen und toten Phase. Das bedeutet, daß die drei Lichtbogen eines Drehstrom-Lichtbogenofens oder eines Reduktionsofens mit gedecktem Lichtbogen mit unsymmetrischer Lichtbogenspannung und/oder unsymmetrischer Lichtbogenleistung und/oder unsymmetrischen Strömen betrieben werden. Eine Folge dieser Unsymmetrien ist normalerweise, daß der Verschleiß der Ofenzustellung in der Nähe der drei Elektroden stark unterschiedlich ist.

Der sogenannte Zustellungsverschleißkoeffizient, der in bezug auf die elektrischen Größen durch das Produkt aus Lichtbogenspannung und Lichtbogenleistung (kv = U²L -I) gegeben ist, wird als Maß für die Ursache des Verschleißes angesehen (Proceedings of Elekctric Furnace Conference, 1962, Heft 20, Seiten 195 bis 206). Es ist einleuchtend, daß grundsätzlich die Spannung über die Lichtbogenlänge und die Leistung über die Strahlungsintensität des Lichtbogens sowie Verdampfungen in die Verschleißursache eingehen müssen. Die Lichtbogenieistung läßt sich als Produkt von Lichtbogenspannung und Lichtbogenstrom ausdrücken. Der Lichtbogenstrom ist mit bekannten Methoden, z. B. mittels eines Stromwandlers, meßbar. Wenn sich auch die Lichtbogenspannung richtig messen läßt, kann durch Versuche eine empirische Formel für den Zustellungsverschleißkoelfizienten gefunden werden.

so Aus der DE-AS 1159112 ist es bekannt, einen Lichtbogenofen durch Änderung der Lichtbogenlänge in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung auf maximale Leistung zu regeln. Als Regelgröße wird das Verhältnis einer empirisch bestimmten Lichtbogenspan-

w nung zur Spannung des Gesamtstromkreises verwendet.

Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag läßt

sich die Lichtbogenspannung aus der Strangspannung, dem Wirkspannungsabfall auf der zugehörigen Leitung und den auf die Gegeninduktivitäten des Systems

w) zurückzuführenden Blindspannungsabfällen, die den zeitlichen Ableitungen der Ströme in den beiden anderen Leitungen proportional sind, ohne prinzipielle Fehler indirekt bestimmen (DE-OS 24 05 252).

Es ist ferner bekannt, den Elektrodenabstand bzw. die

f>5 Lichtbogenlänge in Abhängigkeit von der Impedanz eines Lichtbogenofens zu verstellen (DE-PS 11 83 185).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zustellungsverschleißkoeffizienten wirtschaftlich opti-

mal zu begrenzen und an allen drei Elektroden des Ofens voll auszunutzen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Elektrode ein Lichtbogenspannungsrcgler zugeordnet ist, dem die aus der Strangspannung, dem Wirkspannungsabfall auf der zugehörigen Leitung und den Blindspannungsabfällen auf den beiden anderen Leitungen ermittelte Lichtbogenspannung als Istwert und ein aus einem Sollwert des Lichtbogenwiderstancics und dem Lichtbogenstrom mittels eines Multiplikators gebildeter Wert der Lichtbogenspannung als Sollwert zugeführt sind und dem eine den Zustellungsverschleißkoeffizienten in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung und dem Lichtbogenstrom ermittelnde Einrichtung überlagert ist, deren Ausgangssignal einen Zusatzsollwert für den Lichtbogenspannungsregler bildet.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.

Nach Fig. 1 ist jeder Elektrode ein Lichtbogenspannungsregler 2 zugeordnet, der in der üblichen Weise einer die Verstellgeschwindigkeit der Elektroden regelnden Einrichtung 3 überlagert ist. Das Ausgangssignal des Reglers 3 ist einem Steuergerät 4 zugeführt, das die Elektroden des Lichlbogenofens und damit die Lichtbogenlänge einstellt. Der beispielsweise bei einem motorischen Antrieb der Elektroden mittels eines Tachogenerators 5 gemessene Istwert der Verstellgeschwindigkeit V ist auf den Eingang des Reglers 3 zurückgeführt. Der Block 6 versinnbildlicht die Einrichtungen zur Messung des Lichtbogenstromes / und der Lichtbogenspannung Ui., die entsprechend dem eingangs erwähnten Vorschlag indirekt aus dem Meßwert für die Strangspannung, dem Wirkspannungsabfall auf der zugehörigen Leitung und den Blindspannungsabfällen ermittelt wird.

In einem Multiplikator I wird der Sollwert Ui* für den Regler 2 als Produkt aus dem dem Sollwert Ri* des Lichtbogenwiderstandes entsprechenden Ausgangssignal eines Stromreglers 7 und aus dem dem Lichtbogenstrom /entsprechenden Signal gebildet.

Aus der in der Einrichtung 6 ermittelten Lichtbogenspannung Ui., dem Sollwert U/* und einem von einer den Zustellungsvcrschleißkoeffizienten kv regelnden Einrichtung 8 gelieferten Korrekturwert AUi. wird die Regelgröße für den Regler 2 gebildet.

In Fig. 1 ist nur die Regeleinrichtung für die an die dritte Phase des Versorgungsnetzes angeschlossene Elektrode dargestellt und für die Regeleinrichtungen der drei Elektroden ein gemeinsamer Sollwert für den Lichtbogenwiderstand vorgesehen, den der Stromregler 7 durch Vergleich des vorgegebenen maximalen Lichtbogenstromes /*,„.,_v mit dem jeweils höchsten, mittels Dioden 9 bis 11 ermittelten Istwert der Lichtbogenströme liefert. Der Stromregler erhöht also den Widerstandssollwert, wenn in einer der drei Elektroden der Sollwert für den maximalen E'ektrodenstrom überschritten wird.

Bei einer Herabsetzung der Transformatorspannung und fest vorgegebenem Sollwert kv* für den Zustellungsverschleißkoeffizienten wirkt beispielsweise die Stromregelung im Sinne einer Verkürzung des Lichtbogens, die Regelung des Verschleißkoeffizienten dagegen im Sinne einer Verlängerung des Lichtbogens, und infolgedessen wird das System gegensinnig beeinflußt. Unter der Voraussetzung, daß der Verschleißkoeffizient linear von der Leistung Pund eier Lichtbogenspannung Ui. abhängig ist, ergibt sich der Verschleißkoeffizient zu k_Y = U² ■ I. Zur Bildung dieses Produktes sind an die die Lichtbogenspannung Ui. ermittelnde Einrichtung 6 ein Multiplikator 12 zur Bildung von U² und an diesen ■> ein weiierer Multiplikator 13 angeschlossen. Als Sollwert für den Vcrschleißkoeffizienten wird kein Festoder Grenzwert, sondern ein in einer der drei Phasen auftretender Verschleißkoeffizient vorgegeben. Im Ausführungsbeispiel ist der Verschleißkoeffizient in der

in Phase 2 als Bezugsgröße gewählt, die über einen Proportionalverstärker 14 dem Regler 8 der Phase 3 und über einen weiteren Proportionalverstärker 15 dem Regler 8 der Phase 1 zugeführt ist. Der als Bezugsgröße dienende Verschleißkoeffizient wird ferner in einem

i> Grenzwertmelder 16 darauf überwacht, ob er ein vorgegebenen Maximalwert überschreitet. Gegebenenfalls löst der Grenzwertmelder eine Senkung der Sekundärspannungen des Ofentransformators aus.
Da kv — U²L ■ I und die Leistung P= Ul-I ist.

wird zweckmäßigerweise das Verhältnis kvlP möglichst klein, d. h. Ui. möglichst klein, aber / möglichst groß gewählt. Es ist daher sinnvoll, dem Stromreglcr, der den maximal zulässigen Elektrodenstrom regelnden Vorrang zu geben. Infolge der Verhältnisregelung stellt

j> sich der Zustellungsverschleißkoeffizient als abhängige Größe passend ein. Die Regeleinrichtung für den Verschleißkoeffizienten stellt also im Ausführungsbeispiel das Verhältnis der drei Verschleißkoeffizienten, im Normalfall 1:1:1 ein, da einer der Verschleißkoeffi-

iii zienten als Führungsgröße für die beiden anderen wirkt. Es darf lediglich ein zulässiger Maximalwert nicht überschritten werden. Dies ist bei einer derartigen Optimierung nur durch Begrenzung der Transformatorspannung möglich. Bei einer Überschreitung des

r> zulässigen Vcrschleißkoeffizienten wird daher im Normalfall eine Signalgabe durch den Grenzwertmelder 16 genügen, jedoch kann eine weitere Erhöhung der Transformatorspannung blockiert werden. Statt der VerhäItnisrcgelung für die Vcrschleißkoeffizienten kann

κι der Maximalwert der Elektrodenströme für alle drei Elektroden ausgenutzt werden und eine Überschreitung des zulässigen Verschleißkoefizienten einer Elektrode ein Signal oder Kommando zur Spannungsbegrenzung auslösen. Die dafür erforderliche Schaltungsänderung

■ι¹; ist in den F i g. 2 und 3 angegeben, wonach für den Vcrschleißkoeffizienten in jeder Phase ein Grenzwertmelder 17 vorgesehen und jeder Phase ein eigener Stromregler 18 zur getrennten Vorgabe der Lichtbogenspannung zugeordnet ist. Der Grenzwertmelder 17

ίο und der Stromregler 18 ersetzen die vor bzw. außerhalb der gestrichelten Linie liegenden Teile 7 bis U bzw. 14 bis 16der Fig. 1.

1st eine unsymmetrische Spannungseinstellung möglich, wie sie beispielsweise manche Ofentransformato-

Vi ren bieten, kann die Überschreitung des zulässigen Verschleißkoeffizienten kv* zur automatischen Spannungssenkung durch den Grenzwertmelder 17 in dem betroffenen Strang herangezogen werden; es kann auch über die Strangspannung ein Sollwert kv* eingeregelt

Mi werden. Im letzteren Fall ergibt sich die maximale Lichtbogenleistung, d. h. optimale Ausnutzung der Anlage.

Besonders einfache Verhältnisse ergeben sich, wenn es sich um eine symmetrierte Anlage handelt, d. h. die

hi Ersatzschaltbildinduktivitäten alier drei Phasen annähernd gleich groß sind. Dann ist auch mit einem Transformator mit nur symmetrischer Spannungseinstellung eine Symmetrie der Ströme und der Verschleiß-

koeffizienten erreichbar. Der Grenzwertmelder 17 oder ersatzweise ein Transformatorspannungsreglcr wirkt dann über Signalgabe oder direkt auf die Spannungsverstellung ein.

Mit einer Anordnung gemäß dieser Erfindung kann ein unsymmetrischer oder symmctrierter Lichtbogenofen nach Programm im Sinne einer optimalen Ausschöpfung der verfügbaren Leistung gefahren werden. Beispielsweise wird während des Einschmelzens von Schrott der maximale Stromsollwert /*„,.„ und ein nicht erreichbar hoher Verschleißkoeffizient-Sollwert kv*max eingestellt. Bei höchster Transformatorspannung wird mit dem höchsten zulässigen Lichtbogenstrom gefahren. Wenn der zusammenschmelzende Schrott keinen Strahlungsschutz mehr für die Zustellung bietet, kann bei gleichbleibendem, maximalem Stromsollwert der Verschleißkoeffizient-Sollwert auf das zulässige Maß herabgesetzt werden.

Wenn beim oder nach dem Frischen nicht mehr die volle Leistung benötigt wird, können der Strom- und der Verschleißkoeffizient-Sollwerl beispielsweise proportional herabgesetzt werden. Dadurch bleibt die eingeregelte Lichtbogenspannung Ui. konstant, d. h. die mittlere Lichtbogenlänge verringert sich bei sinkendem Strom nur ein wenig. Eine solche proportionale oder auch nicht proportionale Verstellung der beiden Sollwerte kann beispielsweise, wie in Fig.4 dargestellt, durch einen dem Stromregler 18 überlagerten Leistungsregler 19 erzielt werden. Die Lichtbogenleistung P jeder Elektrode kann mit Hilfe des erwähnten Meßsystems für Lichtbogenöfen (DE-OS 24 05 252) und eines Multiplikators 22 (Fig. 4) als Produkt aus Ui. und / bestimmt werden.

Die Anordnung nach Fig. 1 setzt die Verwendung einer weitgehend herkömmlichen Impedanzregelung voraus, die jedoch als Lichtbogenwiderstandsregelung modifiziert ist. Der Vorteil des Prinzips liegt darin, daß beim ersten Absenken der drei Elektroden diejenige, die den Schrott oder das Bad als erste berührt, über die Regelung sofort stillgesetzt wird, weil die Impedanz dieses Stranges bzw. der Lichtbogenwiderstand zu Null wird. Andererseits ist aber der Lichtbogenwiderstand eine weitgehend stromabhängige Größe. In weiten Bereichen der Kennlinie eines Lichtbogens ist die Lichtbogenspannung weitgehend konstant während der Lichtbogenwiderstand in diesem Bereich der Kennlinie sich stark ändert.

In Fig. 5 ist die Abhängigkeit der Lichtbogenspannung Ui. vom Lichtbogenstrom / dargestellt. Die Kennlinie a gill für einen langen, die Kennlinie b für einen kurzen Lichtbogen. Die Lichtbogenspannung ist jedoch eindeutig von der Lichtbogcnlänge, d. h. vom Abstund zwischen Elektrode und Bad, abhängig, wenn man von den schnellen Veränderungen der Lichtbogenlange absieht, die zu den bekannten Flickererschcinungen führen.

Für viele Lichtbogenofen wird es daher günstiger sein, statt einer Regelung des Lichtbogcnwidcrstandcs entweder ausschließlich oderangenähert eine Regelung der Lichtbogenspannung zu verwenden. Wird die Ausgangsspannung des Stromrcglers 7 in Fig. I nicht als Sollwert für den Widerstand, sondern unter Vermeidung des nachfolgenden Multiplikators direkt als Sollwert für die Lichtbogenspannung verwendet, wie bereits in den Fig. 3 und 4 vorgesehen, dann sind Vorkehrungen, z. B. durch Wahl der Kennlinie des Stromreglcrs 18, zu treffen, damit die erste das Bad berührende FJcktrode auf der Bad- bzw. Schrotloberfläche zwischen Berühren und Unterbrechen des Kontaktes durch die Regelung dauernd auf und nieder bewegt wird; denn vo'der Berührung wäre die Phasenspannung größer als ein vorgegebener Sollwert der Lichtbogenspannung, nach der Berührung bricht die Phasenspannung auf Null zusammen. Speziell im Hinblick auf diesen Betriebsfall ist eine Einflußnahme auf den Sollwert dei Lichtbogenspannung erforderlich, beispielsweise derart daß sich erst bei fließendem Lichtbogenslrom eir endlicher Sollwert der Lichtbogenspannung einstellt Fig. 6 zeigt einen weiteren Schaltungsvorschlag. Der für alle Phasen gemeinsame Stromregler 7 liefert den Sollwert für die Lichtbogenspannung. Der Sollwerl stellt aber nur einen Grenzwert dar, bei dem je Phase ein vom Lichtbogenstrom ausgesteuerter Funktionsgeber 23 sowohl im positiven als auch im negativen Bereich an den Anschlag läuft. Überschreitet der Strom-lsl-Wert die vorgegebenen Maximalwerte, dann wird der Grenzwert der Lichtbogenspannung erhöhl bzw. erniedrigt, wie durch die im Funktionsgeber gestrichelt gezeichneten Linien angedeutet.

Der Funkionsgeber gibt einen etwa trapezförmigen Sollwert für die Lichtbogenspannung ab. Der dem Funktionsgeber als Istwert zugeführte Momentanwerl der Lichlbogcnspannung ist ebenfalls angenähert trapezförmig, so daß ohne Gleichrichtung und Glättungsglieder Soll- und Istwert für die nachfolgende Regelung unmittelbar gegeneinander geschaltet werden können. Dies wird sich besonders bei schnellen Reglern vorteilhaft bemerkbar machen. Solange kein Strom fließt, wird auch kein Sollwert für die Lichtbogenspannung abgegeben. Wenn sich lückender Strom einstellt (relativ langer Lichtbogen), weichen die Momentanwerte des Sollwertes der Lichtbogenspannung von dem Istwert der Lichtbogenspannung während der Lückzeit nennenswert ab. Der Einfluß auf die Regelung hat jedoch die richtige Tendenz; es wird nämlich ein verstärktes Senken der Elektrode eingeleitet und dadurch dem Lücken des Stromes verstärkt entgegengewirkt. Bctricbszuständcmit Kickendem Strom erscheinen grundsätzlich nicht sinnvoll.

Die in Fig. 6 dargestellte Schaltung läßt sich sinngemäß auf den Fall unsymmetrisch einstellbarer Transformator-Sekundärspannungen übertragen, wie dies in der entsprechend F i g. 2 abgeänderten Ausführung der F i g. 1 für den Fall einer Lichtbogenwidcrstandsregclung dargestellt ist.

Bei Lichtbogenöfen, die mit hohen Strömen betrieben werden (z. B. Ultra-high-power-Öfen), kann es wegen des Wicdcransticgcs der Lichtbogcnkennlinic unter Umständen sinnvoll sein, den eingeregelten Grenzwert (Anschlag des </*,-Gebers) mit einem mehr oder minder starken Proportionalverhalten in Abhängigkeit vom eingegebenen Strom zu versehen; d.h. die u*/-Wcrlc wachsen mit der Größe des Momentanwertes des Lichlbogcnstromcs mehr oder minder stark an.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Elektrodenregelung in einem Schmelzofen mit frei brennenden Lichtbogen in Abhängigkeit von den aus den Strangspannungen und aus Wirk- und Blindspannungsabfällen auf den Hochstromleitungen ermittelten Lichtbogenspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elektrode ein Lichtbogenspannungsregler (2) zugeordnet ist, dem die aus der Strangspannung, dem Wirkspannungsabfall auf der zugehörigen Leitung und den Blindspannungsabfällen auf den beiden anderen Leitungen ermittelte Lichtbogenspannung als Istwert und ein aus einem Sollwert des Lichtbogenwiderstandes und dem Lichtbogenstrom mittels eines Multiplikators (1) gebildeter Wert der Lichtbogenspannung als Sollwert zugeführt sind und dem eine den Zustellungsverschleißkoeffizienten in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung und dem Lichtbogenstrom ermittelnde Einrichtung (8) überlagert ist, deren Ausgangssignal einen Zusatzsollwert für den Lichtbogenspannungsregler bildet.

2. Einrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandssollwerte in einem gemeinsamen Stromregler (7) gebildet sind, dessen Strom-Istwert dem jeweils höchsten Lichtbogenstrom und dessen Sollwert dem zulässigen Lichtbogenstrom entspricht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grenzwertmelder (16) Jo vorgesehen ist, der bei einem den zulässigen Wert überschreitenden Istwert des Verschleißkoeffizienten ein Signal, eine Begrenzung oder eine Senkung der vom Ofentransformator gelieferten Spannung auslöst. J5

4. Einrichtung nach Anspruch 3 für Lichtbogenofen mit auf unsymmetrische Sekundärspannungen einstellbarem Ofentransformator, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Verschleißkoeffizienten ein Grenzwertmelder(17) vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Spannungsregler vorgesehen sind, die bei einem den zulässigen Wert überschreitenden Istwert des Verschleißkoeffizienten direkt oder indirekt eine Herabsetzung der vom Transformator gelieferten Strangspannungen auslösen.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Phase ein den Sollwert der Lichtbogenspannung liefernder Stromregler (18) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmsteuerung zur Lieferung der Sollwerte des Stromes und des Verschleißkoeffizienten vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einem den Sollwert des Verschleißkoeffizienten und des Stromes liefernden Leistungsregler (19) als Leistungs-Istwert die in einem Multiplizierer (22) aus dem Strom und der Lichtbogenspannung gebildete Größe zugeführt ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grenzsollwert für die Lichtbogenspannung mittels eines Funktionsgebers (23) gebildet ist, dem der Momentanwert des Stromes zugeführt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stromregler (7) der Grenzwert für die Lichtbogenspannung gebildet ist.