DE4309640A1

DE4309640A1 - Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage

Info

Publication number: DE4309640A1
Application number: DE4309640A
Authority: DE
Inventors: Ernst Wanner
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Concast Standard AG
Priority date: 1993-03-25
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 1994-09-29
Also published as: ITMI940504A0; IT1271764B; ITMI940504A1; JPH06325867A; US5438588A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrom-Lichtbogen ofenanlage, umfassend ein Ofengefäß, eine oder mehrere als Kathode geschaltete Lichtbogenelektroden, einen als Anode geschalteten Bodenkontakt, einen Ofentransformator und eine Gleichrichteranordnung zur Speisung des Ofens und eine Elektrodenregelungseinrichtung sowie einen Stromregler, wo bei im Zuge der Gleichstromleitungen vom Gleichrichter zum Bodenkontakt eine Drossel eingeschaltet ist.

Ausgangspunkt für die Erfindung dabei eine Elektrodenrege lung, wie sie beispielsweise Gegenstand der europäischen Patentanmeldung 0 498 239 ist.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Bei Gleichstrom-Lichtbogenofenanlagen springt im Laufe des Einschmelzprozesses der Lichtbogen schlagartig von einem Schrottstück zum anderen. Dadurch entstehen plötzliche Län gen- und Widerstandsänderungen des Lichtbogens. Eine dyna misch hochwertige Stromregelung hat die Aufgabe, die daraus resultierenden Stromänderungen auf ein Minimum zu begrenzen, um damit den Stromrichter der Regeleinrichtung auch bei ex tremen Fällen, z. B. Kurzschlüssen der Elektrode mit dem Schrott, vor Überlastungen und eventueller Zerstörung von Thyristorventilen zu schützen.

Sowohl die Stromschwankungen aber noch in vermehrtem Masse der stark variable Aussteuerungswinkel des Stromrichters durch den Regelvorgang erzeugen Blindlaststöße am Speise netz. Diese Blindlastvariationen sind maßgebend für die Spannungsschwankungen am Speisenetz. Überschreiten diese eine gewissen Grenze, so werden die am selben Netz ange schlossenen Konsumenten gestört. Die Spannungsschwankungen machen sich durch Lichtschwankungen, sogenannte Flicker, un angenehm bemerkbar.

Behördliche Vorschriften zwingen die Betreiber solcher An lagen zu Maßnahmen zur weitgehenden Eliminierung von Flic ker. Wenn ein Ausbau des Versorgungsnetzes nicht in Frage kommt, blieb bisher einzig die Möglichkeit, die Ofenanlage mit einer SVC-Einrichtung (SVC = Static Var Compensation - statische Flickerkompensation) auszurüsten. vgl. Firmen schrift der BBC Brown Boveri AG, Baden (Schweiz) "Licht bogenanlagen "Arcmelt", Typenreihe AL", Druckschrift Nr. CH-IH 512 484 undatiert, wo auf Seite 20-22 eine Blind leistungs- und Flickerkompensation für Drehstrom-Lichtbo genofenanlagen beschrieben und dargestellt ist, oder US-PS 5,155,740, die eine Flickerkompensationseinrichtung für Gleichstrom-Lichtbogenofenanlagen zum Gegenstand hat. Der artige Einrichtung sind aber für Gleichstrom-Licht bogenofenanlagen sehr teuer, erfordern sie doch leistungs starke Stromrichter, Drosseln und Kapazitäten.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichstrom- Lichtbogenofenanlage zu schaffen, die auch bei schwachen Versorgungsnetzen, also solchen mit kleinen Kurzschluß- Leistungen, einen flickerfreien Betrieb ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Stromregelkreis ein Spannungsregelkreis unterlagert ist, wobei der Ist-Wert für den Spannungsregler aus der am Stromrichter anliegenden Spannung abgeleitet wird und das Ausgangssignal des Stromreglers den Sollwert für den Span nungsregler liefert, und daß dem Spannungsregler ein auf die Flickerfrequenz abgestimmtes Filter nachgeschaltet ist mit einem Frequenzgang, der auf die Frequenzempfindlichkeit des menschlichen Auges abgestimmt ist.

Durch die Verwendung einer Drossel mit hoher Induktivität in Kombination mit einer derartigen Strom- und Spannungs regelung lassen sich unangenehme Auswirkungen eines Gleich strom-Lichtbogenofens auf das Speisenetz entscheidend mil dern.

Die große Drossel im Gleichstromzweig wirkt als Energie speicher, der kurzfristig Energie aufnehmen oder abgeben kann, um z. B. bei Lichtbogenverlängerung Energie abzugeben, bzw. bei Lichtbogenverkürzung Energie aufzunehmen. Dadurch werden die raschen Stromschwankungen am Lichtbogenofen ge dämpft, was bereits schon einen reduzierenden Einfluß auf die Blindlastschwankungen bewirkt. Diese Maßnahme ist entscheidend für die Ausgestaltung der Regelung:

Der Stromregler hat zwar immer noch die Aufgabe, den ein gestellten Lichtbogenstrom zu halten, jedoch hat die hohe Dynamik nicht mehr die erste Priorität. Erhöhte Priorität kommt vielmehr dem dem Stromregler unterlagerten Spannungs regler in Bezug auf Unterdrückung von Blindlastschwankungen bzw. Flicker zu.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie die damit er zielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Ausführungsbei spiel der Erfindung in einem Blockschaltbild einer Gleich strom-Lochtbogenofenanlage mit einem Stromregelkreis und einem Elektrodenregelkreis schematisch dargestellt.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Ofentransforma tor 2 mit mehreren Schaltstufen, der einerseits an ein Wechselstromnetz 1 mit einer Wechselspannung von beispiels weise 22 kV und andererseits an den Wechselspannungseingang eines Stromrichters 5 angeschlossen ist. Die Gleichspan nungsseite des Stromrichters 5 ist über eine Drossel 6 mit einer Lichtbogenelektrode 7 (Kathode) eines Lichtbogenofens 8 verbunden. Eine im Bodenbereich des Lichtbogenofens 8 an geordneter Bodenkontakt 12 (Anode) ist mit dem Pluspol des Stromrichters 5 verbunden. Alternativ kann die Drossel 6 auch in der Gleichstromzuleitung zum Bodenkontakt 12 ange ordnet sein. Zwischen dem unteren Ende der Lichtbogenelek trode 7 und einem mit 9 bezeichneten zu schmelzenden Gut bzw. Schrott sowie mit der Oberfläche einer Schmelze bzw. eines Schmelzbades 11 brennt ein Lichtbogen 10. d bezeich net einen Elektrodenabstand bzw. den Abstand zwischen der Lichtbogenelektrode 7 und dem Schmelzbad 11.

Zur Konstanthaltung des Lichtbogenstroms und zur Beeinflus sung der Position der Lichtbogenelektrode ist eine Ofenrege lung vorgesehen, die einen Stromregelkreis I und einen Elektrodenregelkreis E umfaßt. Beide Regelkreise sind durch strichpunktierte Linien verdeutlicht.

Ein Stromwandler 3 in der Wechselstromzuleitung zum Strom richter 5 detektiert ein Stromistwertsignal i_ist, das dem negierenden Eingang eines Vergleichers bzw. Summierers 13 zugeführt wird. Dem nichtnegierenden Eingang dieses Summie rers 13 ist z. B. von einem nicht dargestellten Potentiome ter ein vorgebbares Stromsollwertsignal i_soll zugeführt. Ausgangsseitig ist der Summierer 13 mit einem Stromregler 14 mit Proportional-Integral-Charakteristik (PI-Regler) verbunden, welcher normalerweise ein Stromrichter-Stellgrößensignal U_ist, entsprechend einem Zündwinkel, direkt an einen Zündimpulswandler 15 liefert, der ausgangsseitig den Stromrichter 5 steuert.

Im Elektrodenregelkreis E wird aus der Lichtbogenspannung mittels einem Spannungswandler 16 ein Stromrichter-Stellgrößensignal U_ist gewonnen und an den negierenden Eingang eines Summierers 17 geleitet, dessen nichtnegierendem Ein gang ein vorgebbares Elektrodenregler-Führungsgrößensignal U_soll, entsprechend einem Zündwinkelsollwert im Bereich von 15°-50°, vorzugsweise im Bereich von 25°-35°, zugeführt ist. Ausgangsseitig ist der Summierer 17 mit einem Spannungsregler 18 mit einer Proportionalcharakteristik (P- Regler) verbunden, der ausgangsseitig über einen Ventil verstärker 19 auf ein Ventil 20 einer Elektrodenver stelleinrichtung 21 wirkt. Die Elektrodenver stelleinrichtung 21, z. B. eine hydraulische Pumpe mit einer Verstellmechanik und einem Elektrodengeschwindigkeitsregler, ist mechanisch mit der Lichtbogenelektrode 7 gekoppelt und ermöglicht deren Höhenverstellung; sie wirkt als ein Verzögerungsglied 1. Ordnung.

Die Elektrodenregelung arbeitet etwa xxxx mal langsamer als die Stromregelung. Die Höhenverstellung der Kathode 7 er folgt so, daß der Stromrichter 5 im Mittel mit einer Aus steuerung von z. B. 35°el. arbeitet, unabhängig von der Se kundärspannung des Ofentransformators 2 und vom eingestell ten Stromsollwert i_soll.

Insoweit sind Gleichstrom-Lichtbogenofenanlagen und deren Ofenregelung bekannt und beispielsweise in der bereits zi tierten EP-0 498 239 A1 beschrieben und soll deshalb an dieser Stelle nur kurz gestreift werden:

Im Laufe des Schmelzvorganges sinkt das Schmelzgut (Schrott) zusammen und der Abstand zwischen Elektrode und Schmelzgut verändert sich in der Folge. Zunächst wird der daraus resultierende erhöhte strombedarf über die Stromre gelung gedeckt. Da am Stromrichter 5 nicht unbegrenzt Span nung zur Verfügung steht, um den Stromfluß aufrechtzuer halten und der Lichtbogen für einen stabilen Betrieb nicht beliebig lang werden darf, sorgt die auf die hydraulische Elektrodenverstellvorrichtung 21 wirkende Elektrodenrege lung E für im Mittel konstante Länge bzw. konstante Span nung des Lichtbogens.

Um nun die eingangs geschilderten Flickererscheinungen zu unterdrücken oder zumindest auf ein Mindestmaß zu ernied rigen ist erfindungsgemäß dem Stromregelkreis I ein Span nungsregelkreis F unterlagert. Das Ausgangssignal des Stromreglers 14 liefert den Sollwert für diesen Spannungs regler. Die Ausgangsspannung des Stromrichters 5 wird ver wendet, um dem Spannungsregler F als Ist-Wert zugeführt zu werden.

Entscheidend für den Reduzierungseffekt für die Blindlast schwankungen bzw. Flicker ist nun die Ausbildung dieses Spannungsreglers F. Dieser umfaßt einen Multiplizierer 18, dessen erstem Eingang das Ausgangssignal des Stromreglers 14 zugeführt wird. Der andere Eingang liegt (vorerst) auf konstantem Pegel. Der Ausgang des Multiplizierers 22 ist mit dem nicht-negierenden Eingang eines Summierers 23 ange schlossen. Dem negierenden Eingang des Summierers wird der Spannungs-Ist-Wert U_ist zugeführt. Dem Summierer folgt ein Spannungsregler 24 mit PID-Charakteristik. Bevor das Aus gangssignal des Spannungsregler 24 dem Stromrichterstellglied (Zündimpulswandler 15) zugeführt wird, passiert die ses Signal ein Filter 25 mit Bandsperrencharakteristik. Dieses Filter 25 weist ein Frequenzgangverhalten auf, das auf die für das menschliche Auge als störend empfundenen Flickerfrequenzen abgestimmt ist. Diese Abhängigkeit ist festgelegt im IEC-Report "Flickermeter - Functional and de sign specifications", Publikation 868 (1986), herausgegeben vom Bureau Central de la Commission Electrotechnique Inter nationale, 3, rue de Varemb´, Gen´ve, Suisse. Das Filter 25 übernimmt dieses Frequenzgangverhalten in dem Sinne, daß die Frequenz mit der höchsten Empfindlichkeit - das ist bei ca. 9 Hz - am stärksten dämpft. Dieses Filter 25 wirkt syn ergistisch mit der Drossel 6 im Gleichstromhauptkreis des Lichtbogenofens zusammen. Die Drossel kann kurzfristig (bei Lichtbogenverkürzung) Energie aufnehmen oder (bei Lichtbo genverlängerung) abgeben. Dadurch werden zunächst sehr ra sche Stromschwankungen am Lichtbogenofen gedämpft, was be reits schon einen reduzierenden Einfluß auf die Blindlast schwankungen und damit den Flicker bewirkt. Weniger rasche Stromschwankungen werden durch die Stromregelung mit unter lagerter frequenzabhängiger Spannungsregelung ausgeglichen. Dadurch werden die Aussteuerungshübe am Stromrichter 5 und damit die Blindlasthübe im Speisenetz 1 im empfindlichsten Flickerbereich zuverlässig gedämpft. Obwohl die Dynamik der Stromregelung nicht mehr a erste Priorität hat, werden dar über hinaus durch den positiven Effekt der Energiespeichers im Gleichstromhauptkreis, d. h. Dämpfung der Stromschwankun gen, auch Überlastungen am Stromrichter 5 vermieden.

Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen reichen im allge meinen aus, die Blindlastschwankungen bzw. den Flicker im empfindlichen Frequenzbereich des menschlichen Auges aus reichend zu reduzieren. Bei extrem schwachen Netzen - immer in Relation zur Ofenleistung betrachtet - können diese Maßnahmen jedoch immer noch nicht ausreichen, die Stör grenze zu unterschreiten. Für diese Fälle sieht die Erfin dung vor, dem Spannungsregelkreis F ein zusätzliches Steu erspannungssignal U_flick aufzuschalten. Diese Aufschaltung erfolgt in der Weise, daß dem anderen Eingang des Multi plizierers 22 eine von der Netzspannung (hinter dem Ofen transformator 2) abgeleitete dem Flicker entsprechender Korrekturwert zugeführt wird. Dieser Korrekturwert wird mittels einem Spannungswandler 26 von der Netzspannung in einem Flickermeßgerät 27 gewonnen und über einen Si gnalbreichsmelder 28 mit einstellbarem Ansprechpegel an den besagten Multiplizierer 22 geleitet. Als Flickermeßgerät 27 kann z. B. ein solches verwendet werden, wie es in dem vorstehend genannten IEC-Report, Seite 29, Fig. 1, beschrie ben ist.

Die mit dieser Maßnahme erzielbaren Vorteile sind insbe sondere darin zu sehen, daß die Parameter des (unterlagerten) Spannungsreglers F durch den Flickermeßwert optimierbar sind im Hinblick auf Einhaltung der Grenzwerte für nichtstörenden bzw. nichtbemerkbaren Flic ker.

Das Flickermeßgerät kann auch bei anderer Bewertung des Flickers durch ein Blindleistungsmeßgerät 29 ersetzt wer den. Diesem Gerät wird über einen Stromwandler 30 hinter dem Ofentransformator 2 ein Stromsignal und vom Spannungs wandler 26 ein Spannungssignal zugeführt. Aus den Blindlei stungsvariationen können durch Division durch die Kurzschlußleistung des Netzes die relativen Spannungsschwankungen an diesem Netz hergeleitet werden. Bei Elektrizi tätsversorgungsunternehmen, die lediglich eine Begrenzung der maximalen Spannungsschwankungen, also keine Bewertung der Augenempfindlichkeit fordern, ist diese Methode sehr geeignet.

Es versteht sich von selbst, daß das Frequenzgangverhalten von Energiespeicher (Drossel 6), Stromregler I und dem ihm unterlagerten Spannungsregler F so aufeinander abgestimmt werden muß, daß die Ziele flickerfreies Netz, möglichst konstanter Gleichstrom für eine hohe Leistungsausbeute für den Lichtbogenofen und keine gefährlichen Überlastungen des Stromrichters 5 erfüllt sind. Die zwangsläufig variable Zeitkonstante im Gleichstrom-Hauptstromkreis T = L/R (L = Induktivität der Speicherdrossel 6, R = variabler Licht bogenwiderstand) wird dabei durch ein adaptierendes Zeit verhalten des Stromreglers I gemildert. Die dem Strom-Span nungsregelsystem mit Flickermeßwertaufschaltung nach geschaltete Elektrodenregelung E ist an der Reduzierung des Flickers nicht mehr beteiligt, da die Dynamik dieser Rege lung eine Größenordnung langsamer ist als die im Stromre gelkreis I mit seinem unterlagerten Spannungsregelkreis F.

Die Parameter des Stromregelkreises I müssen, um ein dyna misch optimales Verhalten des Regelkreises in bezug auf Ausregelreit und Stabilität zu sichern, an variablen Para metern der Anlage angepaßt werden, Due Parameter des Stromreglers werden in Abhängigkeit von der Anlage adap tiert.

Bezugszeichenliste

1 Wechselstromnetz
2 Ofentransformator mit mehreren Schaltstufen
3, 30 Stromwandler
5 Stromrichter
6 Drosselspule
7 Lichtbogenelektrode, Kathode
8 Lichtbogenofen
9 zu schmelzendes Gut, Schrott
10 Lichtbogen
11 Schmelze, Schmelzbad
12 Bodenelektrode, Anode
13,17 Summierer
14 Stromregler
15 Zündimpulswandler
16, 26 Spannungswandler
18, 24 Spannungsregler
19 Ventilverstärker
20 Ventil
21 Elektrodenverstelleinrichtung
22 Multiplizierer
23 Summierer
25 Filter
27 Flickermeßgerät
28 Signalbereichsmelder
29 Blindleistungsmeßgerät

Claims

1. Gleistrom-Lichtbogenofenanlage, umfassend ein Ofengefäß (8), eine oder mehrere als Kathode geschaltete Lichtbogenelektroden (7), einen als Anode geschalteten Bodenkontakt (12), einen Ofentransformator (2) und eine Stromrichteranordnung (5) zur Speisung des Ofens und eine Elektrodenregelungseinrichtung (E) sowie einen Stromregler (I), wobei im Zuge der Gleichstrom leitungen vom Stromrichter (5) zum Bodenkontakt und/oder Lichtbogenelektrode(n) eine Drossel (6) ein geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromregelkreis (I) ein Spannungsregelkreis (F) unter lagert ist, wobei der Ist-Wert (U_ist) für den Span nungsregler (24) aus der am Stromrichter (5) anliegen den Spannung abgeleitet wird und die Ausgangsspannung des Stromreglers (14) den Sollwert für den Spannungs regler (24) liefert, und daß dem Spannungsregler (24) ein auf die Flickerfrequenz abgestimmtes Filter (25) nachgeschaltet ist mit einem Frequenzgang, der auf die Frequenzempfindlichkeit des menschlichen Auges abge stimmt ist.

2. Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Ist-Wert (U_ist) für den Spannungsregler (24) auch dem Spannungsregler (18) der Elektrodenregelung (E) als Ist-Wert zugeleitet wird.

3. Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stromregler (14) des Stromregelkreises (I) und dem Spannungs regler (24) des Spannungsregelkreises (f) ein Multi plizierer (22) angeordnet ist, dem ein zusätzlichen Steuerspannungssignal (U_flick) zugeführt wird, das ein Maß für Blindleistungshübe bzw. Flicker im speisenden Wechselstromnetz (1) ist.

4. Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Blindlei stungshübe bzw. Flicker ein Flickermeßgerät (27) vor gesehen ist, das über einen Spannungswandler (26) an die Sekundärseite des Ofentransformators (2) oder an das Wechselstromnetz (1) angeschlossen ist, und über einen Signalbereichsmelder (28) auf den Multiplizierer (22) wirkt.

5. Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß zur Erfassung von Blindlei stungshüben im Wechselspannungsnetz (1) ein Blindleistungsmeßgerät (29 vorgesehen ist, das über einen Si gnalbereichsmelder (28) auf den Multiplizierer (22) wirkt.