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GEBIET DER
ANMELDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern Energiezuführung für elektrische Lichtbogenöfen gemäß dem Hauptanspruch.
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Die
Erfindung wird auf den Gebiet der Stahlbearbeitung angewandt, um
die Zufuhr von Energie in elektrischen Lichtbogenöfen insbesondere
zu Beginn des Schmelzzyklus zu regulieren und zu steuern, um die
Gesamtzeiten des Zyklus zu reduzieren und Einsparungen der insgesamt
zugeführten
Energie zu erzielen.
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STAND DER
TECHNIK
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Es
ist wohl bekannt, daß in
elektrischen Lichtbogenöfen
zum Schmelzen von Metall zu Beginn des Schmelzzyklus, d. h. unmittelbar
nach dem Beschicken des Ofens mit Schrott, der Wert der elektrischen
Energie, die durch die Elektroden zugeführt wird, immer niedriger als
die maximal verfügbare
Energie ist.
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Der
Grund dafür
ist, daß bei
gegebener Konsistenz der Schrottcharge eine große Gefahr besteht, daß es zu
einem Kurzschluß zwischen
den Elektroden kommen und daß der
elektrische Lichtbogen instabil sein könnte.
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Wenn
außerdem
eine erhebliche Energiemenge verfügbar ist, können die Elektroden selbst großen mechanischen
Beanspruchungen ausgesetzt sein, die auch bewirken können, daß die Elektroden brechen
oder zumindest beschädigt
werden.
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Ferner
besteht die Gefahr, daß aufgrund
der Strahlung der Lichtbogen auf die seitlichen Kühlplatten
des Ofens auftreffen und sie zerstören oder beschädigen kann.
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Zur
Zeit wird Energie anfangs mit einem reduzierten Wert zur Verfügung gestellt,
um die vorstehend genannten Risiken zu senken; die Energie wird dann
nach einer bestimmten Zeitdauer erhöht, bis sie den maximal verfügbaren Wert
erreicht, der mit der Schmelzvorrichtung und den Anforderungen des
Zyklus kompatibel ist.
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Dieses
Intervall ist normalerweise in Abhängigkeit von Betriebserfahrungen
definiert, und die Erhöhung
von dem Ofen zugeführter
Energie findet nach einer Zeitdauer statt, die ausreichende Sicherheitsbedingungen
garantieren kann, so daß die
vorstehend genannten Gefahren von Kurzschlüssen und gefährlichen
Beanspruchungen der Elektroden überwunden
werden.
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Dieses
Zeitintervall, das im voraus definiert wird, wird auf eine solche
Weise festgelegt, daß diese
Sicherheitsbedingungen auch in den ungünstigsten und gefährlichsten
Situationen gewährleistet sind,
und ist deshalb in den meisten Fällen
im Hinblick auf wirkliche und spezifische Anforderungen übertrieben
und zu lang.
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Aus
diesem Grund ist in all jenen Fällen,
in denen die Verzögerungszeiten
länger
als erforderlich sind, bevor die Zufuhr von maximaler Energie beginnt,
der Schmelzzyklus unnötig
lang; dies verlängert
offensichtlich die Zykluszeiten und verursacht ferner übermäßigen Energieverbrauch.
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Der
Artikel von Timm K. et al. "Rechnergestützte Prozeßbeobachtung
..." aus ELEKTROWÄRME INTERNATIONAL,
AUSGABE B, Februar 1987, Vol. 45, Nr. 1, Seiten 29 bis 36, beschreibt
ein Verfahren zur Steuerung der Speisung eines Elektroofens, wobei
eine Analyse der Entwicklung des Frequenzspektrums der elektrischen
Dimensionen der Lichtbögen
(Spannung, Strom, Leistung, Leitfähigkeit) bei fortschreitendem
Schmelzzyklus vorgenommen wird.
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Der
Zweck dieser Analyse ist, die Entwicklung der schäumenden
Schlacke zu steuern, die im Inneren des Ofens erzeugt wird, um in
betriebsmäßiger und
technologischer Hinsicht Verbesserungen des Zyklus zu erhalten.
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Es
gibt keinen Hinweis auf eine Steuerung der Ofenwerte, um den ungefähren Zeitpunkt
festzustellen, zu dem das Zuführen
von Energie erhöht werden
soll, und diese Energie auf Arbeitsniveau zu steigern.
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DE 36 16 344 A beschreibt
ein Verfahren, bei dem die Oberwellen des Frequenzspektrums der
einem Ofen zugeführten
Energie ausgewertet werden, um Verzerrungsfaktoren als ein Kriterium
des Maßes der
Schlackenbildung und einer festen oder geschmolzenen Charge zu bestimmen.
Diese Verzerrungsfaktoren werden dazu genutzt, Information zum Modifizieren
der Länge
des Lichtbogens durch Bewegen der Elektroden oder Abdecken des Lichtbogens durch
das Schäumen
der Schlacke zu erhalten, sie werden jedoch nicht dazu genutzt,
den geeigneteren Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem es möglich und
sicher ist, die dem Ofen zugeführte
Energie von einem niedrigen auf einen Maximalwert zu erhöhen.
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WO
95 26118 A beschreibt ein Verfahren, das die Auswertung des Oberschwingungsgehalts der
Phasenströme
nutzt, um Daten zum Wählen
von geeigneten gewünschten
Steuerungswerten zu erhalten. Allgemein gesagt beschreibt dieses
Dokument, daß das
Wissen über
den Oberschwingungsgehalt als eine Basis zum Senken des gewünschten Impedanz-
oder Widerstandswerts des Steuerungssystems genutzt werden kann,
um einen stabileren Betrieb, höhere
Energieentnahme und eine raschere Zunahme der Energie in Richtung
des Maximalwerts beim Anfahren und nach Auftreten einer Störung zu erhalten.
Es gibt jedoch keinen Hinweis oder Vorschlag bezüglich des Definierens von zwei
Schmelzschritten in dem Zyklus, wobei der Zeitpunkt des Beginns
des zweiten Schmelzschritts mit maximaler Energie bestimmt wird,
indem die Entwicklung von dem Ofen zugeführten elektrischen Größen über die
Zeit beobachtet wird, um jede mögliche
Gefahrensituation im Inneren des Ofens zu verhindern.
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Die
Anmelderin hat die vorliegende Erfindung konstruiert, getestet und
umgesetzt, um die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, über die
sich Fachleute auf dem Gebiet lange beklagt haben, und um weitere
Vorteile zu erzielen.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist in dem Hauptanspruch angegeben und gekennzeichnet,
wogegen die Unteransprüche
Abwandlungen des Gedankens der Haupterfindung beschreiben.
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Der
Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, um das
Zuführen
von elektrischer Energie für
elektrische Lichtbogenöfen
zu steuern, wobei es möglich
ist, von Fall zu Fall den Zeitpunkt oder den ungefähren Zeitpunkt
mit einem vordefinierten Sicherheitsspielraum zu bestimmen, wobei
es möglich
ist, die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Ofen zu erhöhen, ohne
irgendwelche Risiken von Kurzschlüssen oder von gefährlichen
Beanspruchungen der Elektroden oder von Strahlung des Lichtbogens
in Richtung der Seitenplatten einzugehen.
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Anders
ausgedrückt,
die Erfindung schlägt vor,
ein Verfahren anzugeben, wobei es möglich ist, im wesentlichen
in Echtzeit im Verlauf des ersten Schritts des Schmelzzyklus das
Ende der vorstehend genannten Gefahrensituationen festzustellen
und deshalb die Erlaubnis zur Zuführung von maximaler verfügbarer Energie
in Abhängigkeit
von den speziellen Bedingungen, die in einer bestimmten Situation auftreten,
zu geben.
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Die
vorliegende Erfindung reduziert daher die Dauer des Vorschritts
mit niedriger Energie, der die Schmelzzyklen in elektrischen Lichtbogenöfen kennzeichnet,
und reduziert deshalb die Zyklusgesamtzeiten mit sich daraus ergebenden
Vorteilen hinsichtlich der Anzahl von Zyklen, die in einem definierten
Zeitraum ausgeführt
werden, und auch hinsichtlich der Energieeinsparung.
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Gemäß der Erfindung
steuert und analysiert das Verfahren dynamisch die Entwicklung der
elektrischen Größen des
Ofens mit fortschreitendem Schmelzzyklus und vergleicht sie dann
mit Werten, die sich auf ein Modell beziehen, das als eine Referenzsituation
angenommen wird.
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Die
Referenzsituation beruht beispielsweise auf praktischen Experimenten,
nachdem eine bestimmte Anzahl von Anfangsparametern festgelegt worden
ist, wie etwa die Größe des Ofens,
das Schmelzprofil, der Typ und die Form der Charge usw., oder anderenfalls
wird sie in den allerersten Stufen der Aktivierung des Ofens dynamisch
festgestellt; dies macht es möglich,
ein Vergleichsmodel zu erhalten, wobei die Übergangszone, bei der der Ofen aus
einer Gefahrensituation in eine sichere Situation übergeht,
festgestellt wird.
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Die Übergangszone
ist gekennzeichnet durch eine spezielle Entwicklung der elektrischen Größen, und
zwar sowohl hinsichtlich Zeit als auch Oberwellen-Gehalt.
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Durch
dynamisches Überwachen
der elektrischen Größen im Verlauf
des speziellen Schmelzzyklus und durch Vergleich derselben mit den
Referenzwerten des genannten Modells, macht es die Erfindung möglich, im
wesentlichen in Echtzeit und auf eine ausreichend sichere Weise
den Zeitpunkt festzustellen, zu dem die Gefahrensituation endet;
sie gibt ferner die Erlaubnis zur Zuführung von maximaler Energie,
die bei im wesentlichen sicheren Bedingungen zu erreichen ist.
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Auf
diese Weise ermöglicht
es die Erfindung, möglichst
rasch zu der maximalen Energie überzugehen,
und somit minimiert sie die Gesamtzeiten des Schmelzzyklus von Fall
zu Fall und auf eine dynamische und spezielle Weise.
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DARSTELLUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Figuren dienen als ein nicht einschränkendes Beispiel und zeigen
einige bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung.
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1 zeigt
ein Zeit-/Energie-Diagramm eines Standardschmelzzyklus in einem
elektrischen Lichtbogenofen;
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2 und 3 zeigen
schematisch das Energiezuführsystem
jeweils für
einen mit Gleichstrom gespeisten Elektroofen und für einen
mit Wechselstrom gespeisten Elektroofen;
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4 ein
Blockbild des Verfahrens gemäß der Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
in Form eines Diagramms ein mögliches
Schmelzprofil für
einen elektrischen Lichtbogenofen.
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T0 bezeichnet den Zeitpunkt, zu dem das Schmelzen
beginnt, T1 bezeichnet das Ende des Vorschmelzens
des Schrotts, das normalerweise mit niedriger oder mittlerer Energie
ausgeführt
wird, T2 bezeichnet das Ende des eigentlichen
Schmelzen, das mit der Energie auf ihrem maximalen verfügbaren Wert
ausgeführt
wird, wogegen T3 das Ende des Frischungsschritts
und somit das Ende des gesamten Zyklus bezeichnet.
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Die
Zeitdauer zwischen T1 und T0,
d. h. der Zeitraum, in dem das Vorschmelzen des Schrotts stattfindet,
der in das Innere des Ofens eingebracht ist, und in dem der Ofen
mit niedriger oder mittlerer Energie gespeist wird, ist dann die
Zeitdauer, die durch die Erfindung reduziert werden soll, wobei
der Zeitpunkt, zu dem maximale Energie zugeführt werden kann, vorverlegt
wird und infolgedessen die Gesamtzeiten des Zyklus mit einer sich
daraus ergebenden Energieeinsparung reduziert werden.
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Die 2 und 3 zeigen
zwei mögliche elektrische
Systeme für
das gesteuerte Speisen eines mit Gleichstrom gespeisten Ofens bzw.
eines mit Wechselstrom gespeisten Ofens.
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In
diesen Figuren haben die beiden Öfen
gemeinsamen Teile die gleichen Bezugszeichen.
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Das
Bezugszeichen 10 bezeichnet den elektrischen Lichtbogenofen,
in dem sich die obere Elektrode oder oberen Elektroden 11 befinden;
im Fall eines Gleichstromofens befinden sich die unteren Elektroden 12 am
Boden.
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Die
obere Elektrode 11 wird von einem entweder hydraulischen
oder elektrischen Reguliersystem 13 gesteuert, das die
Position 14 reguliert, die mittels Rückführung durch die Steuereinheit 15 bestimmt
wird, die den Betrieb des Ofens 10 verwaltet.
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Die
dem Ofen 10 zugeführte
elektrische Energie wird dem Mittelspannungs-Versorgungsnetz 16 entnommen
und von geeigneten Transformatoren 17a für den Gleichstromofen
bzw. 17b für
den Wechselstromofen umgewandelt.
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Im
Fall des Gleichstromofens befindet sich an der Abstromseite des
Transformators 17a ein Reguliersystem 18 mit Thyristorventilen,
die von der Steuereinheit 15 Befehle erhalten, durch die
es möglich
ist, das Profil der Energie zu steuern, die dem Ofen 10 durch
die Elektroden 11 und 12 zugeführt wird.
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Auf
jedes System mit den Thyristorventilen 18 folgt ein jeweiliger
Induktor 19.
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An
der Zuführleitung
befinden sich an der Aufstrom- und der Abstromseite des Transformators Meßanordnungen 20 und 21,
die ihre Signale an die Steuereinheit 15 senden, um die
elektrischen Größen des
Ofens 10 unter Kontrolle zu halten.
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Im
Fall des Wechselstromofens ist der Induktor 19 an der Aufstromseite
des Transformators 17b angeordnet, während gleichzeitig eine Gruppe
von Phasenvoreilungskondensatoren 22. parallel zu der Zuführleitung
vorgesehen ist.
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Die
Erfindung sieht vor, eine konstante Steuerung der Entwicklung der
elektrischen Größen, d.
h. der Spannung und des Stroms, der dem Ofen zugeführten Energie
aufrechtzuerhalten, um unter Nutzung von Referenzmodellen, die durch
Experimente erhalten oder in dem Anfangsschritt des Zyklus dynamisch
ermittelt werden, den Zeitpunkt festzustellen, zu dem die mit dem
Anfangsschritt des Schmelzzyklus verbundenen Gefahrensituationen
als innerhalb eines angemessenen Sicherheitsspielraums beendet betrachtet
werden können.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
sieht vor, daß an
den elektrischen Größen entweder
eine temporäre
Analyse oder eine Spektralanalyse oder beides ausgeführt wird,
um die Parameter zu erhalten, die im Vergleich mit dem vorstehend
genannten Referenzmodell angewandt werden sollen.
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Gemäß der Erfindung
ermöglicht
die temporäre
Analyse, die speziellen statistischen Parameter in bezug auf die
zeitliche Entwicklung der Spannung und/oder des Stroms der dem Ofen
zugeführten
Energie zu bestimmen.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist der statistische Parameter, der dynamisch berechnet und
mit dem Wert des Referenzmodells der Steuereinheit 15 verglichen
wird, die Varianz, d. h. die quadratische Abweichung von dem Mittelwert
der speziellen elektrischen Größe der dem
Ofen zugeführten Energie,
und zwar entweder der Spannung oder des Stroms.
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Wenn
die Varianz des ausgewerteten und gesteuerten Signals einen Wert
annimmt, der jenseits eines definierten Sicherheits-Schwellwerts
mit dem speziellen Wert des Referenzmodells verglichen werden kann,
zeigt dies an, daß Gefahrensituationen beendet
sind und die Erlaubnis zur Erhöhung
des Werts der dem Ofen zugeführten
Energie gegeben werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die mittlere Varianz des elektrischen Signals
berechnet und als Steuerungswert in einem ersten Zeitintervall genutzt
wird, das auf den Start des Zyklus folgt.
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Dieses
Zeitintervall kann beispielsweise zwischen 30'' und
1' sein.
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Dieser
Mittelwert der Varianz, der während des
ersten Intervalls nach Aktivierung des Ofens berechnet wird, wird
als ein Referenzparameter genommen.
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Mit
fortschreitendem Schmelzzyklus wird der Mittelwert der Varianz fortlaufend
unter Nutzung der gleitenden Mittelwertbildungstechnik aktualisiert,
wobei das Zeitintervall, in dem der Mittelwert berechnet wird, konstant
gehalten wird.
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Anders
ausgedrückt,
um den Mittelwert zu berechnen werden die neuen Augenblickswerte,
die fortlaufend überwacht
werden, allmählich
einzeln nacheinander addiert und ersetzen die entsprechenden Anfangswerte.
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Wenn
der Mittelwert der Varianz, der fortlaufend aktualisiert worden
ist, auf einen Wert in der Größenordnung
von 60÷70%
in bezug auf den gleichen Mittelwert verringert wird, der während des
Zyklusstart-Intervalls berechnet worden ist, wird die Erlaubnis
zur Erhöhung
der Energiezufuhr gegeben.
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Bei
einer anderen Ausführungsform,
die eine Alternative zu der vorhergehenden oder damit kombiniert
sein kann, wird diese Steuerung ausgeführt, indem das Frequenzspektrum
der Größen der
Energiezufuhr zu dem Ofen ausgewertet wird oder indem ihr Oberwellen-Gehalt
ausgewertet wird, um dynamische Information über das Verhalten des Ofens
zu erhalten.
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Auch
in diesem Fall ist es durch fortlaufenden Vergleich des Oberwellen-Gehalts
der tatsächlichen
Größen der
Energiezufuhr zu dem Ofen und der jeweiligen Werte des Referenzmodells
möglich,
den Zeitpunkt festzustellen, zu dem die Gefahrensituationen beendet
sind, und somit die Erlaubnis zur Erhöhung der Energie unter sicheren
Bedingungen zu geben.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden in einem bestimmten Anfangsintervall die Mittelwerte
der Amplituden einer bestimmten Anzahl von geraden Harmonischen
und einer dazu passenden Anzahl von ungeraden Harmonischen berechnet.
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Auch
in diesem Fall kann das Zeitintervall beispielsweise zwischen 30'' und 1' sein.
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Das
Verhältnis
zwischen dem Mittelwert der Amplituden der geraden Harmonischen
und dem Mittelwert der Amplituden der ungeraden Harmonischen wird
als ein Referenzparameter genommen.
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Mit
fortschreitendem Zyklus werden die Mittelwerte der Amplituden, die
in bezug auf die geraden und ungeraden Harmonischen getrennt berechnet worden
sind, mit der vorstehend genannten gleitenden Mittelwertbildungsmethode
fortlaufend aktualisiert mit einer daraus folgenden Aktualisierung
des relativen Verhältnisses.
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Wenn
dieses Verhältnis
auf einen Wert von ungefähr
60÷70%
in bezug auf den Anfangsreferenzwert verringert wird, wird die Erlaubnis
gegeben, die Energie zu erhöhen.
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Das
in 4 gezeigte Blockbild faßt das Vorstehende schematisch
zusammen.
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Nach
diesem Blockbild findet eine vorläufige Wahl eines Referenzmodells 23 in
Abhängigkeit
von den Charakteristiken des elektrischen Lichtbogenofens 10 und
des gewünschten
Energieprofils statt unter Bestimmung 24 der Parameter,
die die Übergangszone
zwischen einer Gefahrensituation und einer Nicht-Gefahrensituation
betreffen.
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Das
Referenzmodell 23 kann experimentell erhalten werden oder
kann, wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, dynamisch erhalten
werden, wenn sich der Ofen in der ersten Aktivierungsstufe befindet.
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Diese
Parameter werden in einem präzisen Bereich
des Speichers in der Steuereinheit 15 gespeichert.
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Nachdem
dagegen der Schmelzzyklus begonnen hat, findet eine Wahl/Kombination 25 der elektrischen
Signale statt, wie etwa der Spannung V oder des Stroms I, die bei
der Feststellung zu verwenden sind.
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Wenn
eine Analyse auf einer Zeitbasis angewandt wird, findet ein Vorgang 26 statt,
um die statistischen Parameter beispielsweise der Varianz zu bestimmen,
mit denen der Vergleich vorgenommen wird.
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Wenn
eine Spektralanalyse angewandt wird, findet zunächst eine Zeit-/Frequenz-Umwandlung 27 statt,
und dann ein Vorgang 28 zum Bestimmen des Oberwellen-Gehalts
des umgewandelten Signals.
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Wie
vorstehend erwähnt,
können
beispielsweise aus Sicherheitsgründen
beide Analysearten angewandt und die Ergebnisse kombiniert werden.
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Wenn
die Werte der gewählten
Parameter erhalten worden sind, wird ein Vergleich 29 mit
den Werten des Referenzmodells vorgenommen, nachdem zunächst die
Schwellwerte bestimmt 30 worden sind, die in Abhängigkeit
von den gewünschten
Sicherheitsgraden zu berücksichtigen
sind.
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Wenn
der Vergleich zeigt, daß kein
Zustand mehr besteht, in dem das Risiko von Kurzschlüssen oder
von Beanspruchungen der Elektroden 11 existiert, kann die
Steuereinheit 15 die Wahl 31 des nächsten Schritts
des Energieprofils, d. h. die Zuführung von maximaler Energie,
aktivieren.
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Dieses
Eingreifen der Steuereinheit 15 wirkt in Abhängigkeit
von dem Typ des Ofens 10 entweder auf den Befehl der Thyristorventile 32 oder
des Stufenschalters 33 oder den Befehl zum Anheben der Elektroden 34.
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Mit
dieser Methode wird deshalb immer und auf eine spezielle Weise in
Abhängigkeit
von dem Ofentyp und den Schmelzbedingungen maximale Energie zugeführt, sobald
festgestellt worden ist, daß dies
unter sicheren Bedingungen erfolgen kann; dies führt zu einer Verringerung der
Gesamtzeiten des Zyklus und zu einer erheblichen Energieeinsparung.