EP1808049A1 - Steuervorrichtung für wechselstrom-reduktionsöfen - Google Patents

Steuervorrichtung für wechselstrom-reduktionsöfen

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Publication number
EP1808049A1
EP1808049A1 EP06792415A EP06792415A EP1808049A1 EP 1808049 A1 EP1808049 A1 EP 1808049A1 EP 06792415 A EP06792415 A EP 06792415A EP 06792415 A EP06792415 A EP 06792415A EP 1808049 A1 EP1808049 A1 EP 1808049A1
Authority
EP
European Patent Office
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control device
electrodes
control
current
furnace
Prior art date
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Ceased
Application number
EP06792415A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Pasch
Jürgen Kunze
Dieter Borgwardt
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SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Demag AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1808049A1 publication Critical patent/EP1808049A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/02—Details
    • H05B7/144—Power supplies specially adapted for heating by electric discharge; Automatic control of power, e.g. by positioning of electrodes
    • H05B7/148—Automatic control of power
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/02—Details
    • H05B7/144—Power supplies specially adapted for heating by electric discharge; Automatic control of power, e.g. by positioning of electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a control device for alternating current reduction furnaces with electrodes, comprising a transformer and a control system for the controlled introduction of energy into the alternating current reduction furnaces which controls an adjustment device for the electrodes.
  • Such electric reduction ovens which can be provided with six electrodes in pairwise single-phase connection or with three electrodes in Knappsack circuit or star connection, serve the production of non-ferrous metals, iron alloys and process slags.
  • the control of the electrical energy input into the reduction furnace was previously by the hydraulic adjustment of the electrodes.
  • the bath resistance is influenced by changing the penetration depth of the electrode into the Möller and / or arc operation - by the resistance ratios below the electrodes.
  • the measured variables used here are the measured electrode currents, the impedances determined from the respective electrode currents and electrode voltages or the calculated resistances, based on the primary-side measurements of the electrical quantities.
  • the adjustment of the electrode voltage is carried out in stages by changing the transmission ratio of the transformer windings by means of load tap changer.
  • the furnace performance is subject to strong fluctuations in this electrode control, which is caused by continuous process-related changes in the bath resistances in immersed electrodes and / or changes in the resistance ratios in an arc operation with non-immersed electrodes become. Due to these permanent fluctuations of currents, voltages and power results in an uneven introduction of electrical energy into the furnace.
  • DE 43 09 640 A1 is a DC arc furnace with a the
  • Described current control loop subordinate voltage control loop wherein the actual value for the voltage regulator from the voltage applied to the converter and the reference value from the output voltage of the current regulator is formed and the voltage regulator is tuned to the flicker frequency tuned filter.
  • the DC arc furnace should enable flicker-free operation even with weak supply networks - ie those with small short-circuit powers.
  • DE 41 35 059 A1 relates to a device for continuous electrical voltage control, which is intended to reduce the harmonic content in the controlled voltage.
  • the load voltage can be fine tuned and quickly adapted to a variable impedance.
  • An AC controller used for voltage control need not be sized for the full power of the load; no current pauses arise in the load current, which are e.g. In an electric reduction furnace, a restless and unstable
  • Arc operation and - because of load fluctuations - can generate a variable reactive power.
  • the device is particularly suitable for the operation of electric arc furnaces, in which the load voltage must be changed quickly at a constant arc current. It varies from 100V at the beginning of the Melt, over 500 to 700 V with sufficient melt up to 1, 2 kV voltage for strong arcing.
  • DE 35 08 323 C2 describes a device for feeding one or more electrodes of a single- or multi-phase electrothermal furnace via main and auxiliary transformers, which has a low network feedback, better current maintenance and - in Mehrelektrodenöfen - also an individual control of the active power under the electrodes allows.
  • the current of the secondary winding is measured, rectified and supplied as a current actual value to a summer, in which the difference between the current nominal value and actual value is formed; the control deviation is supplied to a controller whose output signal is fed to a control pulse generator which generates corresponding ignition pulses for a single-phase thyristor controller, wherein the controller is connected in series with a DC link winding of the main transformer and the associated primary winding.
  • Such a device is applicable to arc and reduction furnaces.
  • a thyristor device provides a current control as a function of the difference between the current setpoint and the actual value of the electrode current and for a voltage regulation as a function of the voltage setpoint and the actual value of the electrode voltage, wherein the voltage regulation is slower than the current regulation and performs the adjustment of the electrodes.
  • This control arrangement has been specially developed for the requirements of DC arc for steel making, in which all the electrical power is introduced in the form of an arc in the furnace for the melting process.
  • the ground electrodes required in DC furnaces are exposed to extreme stress due to the problematic arrangement in the bottom of the furnace vessel.
  • the bottom electrode is a weak point of the furnace and requires a complex and secure cooling. Changing the bottom electrodes is very time-consuming and cost-intensive in reduction furnaces.
  • DE 28 27 875 relates to a multi-phase electric arc furnace and method for its regulation.
  • the required values for the control of the secondary side of the transformer are measured and calculated from certain primary and / or secondary side measurements excluding the secondary phase voltages measured with respect to the furnace bath, the calculation of the desired control values being based on the assumption that the inductance behavior of the Secondary windings during other variations of the arc furnace is predictable, and that the control values thus calculated are subjected to certain boundary conditions in response to operational furnace variables.
  • Such a device can be used in all Mehrelektrodenöfen.
  • the primary-side phase voltages are measured and star currents; the secondary-side values are derived in such a way that - at least in many cases - these values can be used for better control.
  • DE 20 34 874 A1 discloses an arrangement for feeding an electric arc furnace from the medium or high-voltage alternating current network in that the electrodes of the electric arc furnace are connected to the alternating current network via the furnace transformer and contactless, controllable electronic switches which regulate the furnace current and - in case of overcurrent - interrupt.
  • the control should help to avoid an unbalanced load on the supply network.
  • the non-contact, controllable electronic switches also replace both the step and intermediate stage switches of the furnace transformer.
  • EP 0 589 544 B1 relates to a three-phase electric arc furnace with a choke connected in series and a three-phase thyristor bridge connected in parallel as a controllable bypass switch, the control in conjunction with an electronic data processing system in addition to electrical data, such as current voltage, harmonic content and flicker Process data processed and acted on target-actual data comparison.
  • EP 0 498 239 B1 discloses a method for controlling the electrode of a direct-current arc furnace and electrode control device and a device in which the calculation of the setpoint value for the electrode reaction is known. bypassed in which, instead of the DC voltage, a control angle proportional signal is taken from the current controller. This signal is passed through an attenuator, which monitors not only the signal matching but also the limits and filters out unwanted frequencies.
  • the setpoint corresponds to the average output of the rectifier. Irrespective of a change in voltage, the arc length adjusts itself so that the required current is achieved at a predetermined level at the rectifier; to keep the current constant, there is always sufficient control range available. Constant modulation on the rectifier also achieves a constant average power factor in the supply network.
  • EP 0 429 774 A1 discloses a device and method for feeding a controlled current multiphase arc furnace consisting of a three-phase network, a controlled series reactor, a three-phase furnace transformer and an arc furnace with a hydraulically operating electrode regulation system.
  • a current transformer measures the phase current and supplies it to a thyristor-controlled inductor with a control device, which in turn influences the series reactance in the main circuit. Further influencing measured signal variables are the electrode position and the transformer voltage.
  • WO 02/28146 A1 describes an automatic electrode regulator based on the direct power factor regulation and a method for an electric arc furnace which has a furnace transformer, each comprising a transformer for measuring the operating current and the
  • the electrical parameters of the electric reduction ovens are kept as constant as possible by the hydraulic lifting or lowering of the electrodes. However, these parameters vary permanently due to the change in the bath resistance in immersed electrodes and / or by the change in the resistance ratios in a furnace operation with non-immersed electrodes, the arc operation. This results in an uneven introduction of the electrical energy into the furnace. Furthermore, the construction of reaction spaces in the oven is made difficult by partially very strong electrode movements.
  • the invention is based on the object, a control device of the type mentioned in such a way that the power input stabilized in the electric reduction furnace and thereby the energy input and production is increased. Furthermore, the electrode movements should be reduced to a minimum, so that reaction chambers can build up undisturbed.
  • control device further comprises controllable power electronic AC switches, which are connected on the secondary side in the high-current conductors and connected via an ignition with the control system for supplying control ignition pulses, wherein the control device is designed such that short fluctuations of the electrical parameters can only be compensated by the AC switch.
  • controllable power electronic AC switches which are connected on the secondary side in the high-current conductors and connected via an ignition with the control system for supplying control ignition pulses
  • the control device is designed such that short fluctuations of the electrical parameters can only be compensated by the AC switch.
  • the task of the mechanical adjustment of the electrodes is limited to the balancing of the voltage conditions of the bath voltages with coarse nominal value deviations and the compensation of electrode burn-off.
  • control system has a phase control of the power semiconductor, which controls the RMS values of the secondary currents steplessly.
  • control system can be designed such that it controls the RMS values of the secondary currents in reduction ovens in Knappsack- circuit.
  • the power semiconductors can have antiparallel-connected thyristor sets, so that phase-angle control of the three-phase alternating current takes place.
  • phase-angle control of the power semiconductors can react quickly to changes in the electrical parameters of the furnace process and stabilize the furnace performance.
  • the adjusting device for the electrodes can be designed such that the voltage ratios of the bath voltages are compensated for coarse nominal value deviations and the electrode erosion. An optimal control is obtained when the current and voltage control is largely decoupled.
  • the electrodes of the high-current system of the reduction furnace are connected in pairs in the star.
  • the electrodes of the high-current system of the reduction furnace can be interconnected with a three-phase transformer or three single-phase transformers in Knappsack- circuit.
  • control system can be designed such that the individual electrode currents for baking the Söderberg electrodes can be limited.
  • control system can be embodied such that the transformer currents can be limited to avoid damage by overcurrents, in particular in the voltage range below the power break point, or the transformer power to avoid overheating and thus increase the life of the transformers, in particular in the voltage range above the current bending point is.
  • the life of circuit breakers and on-load tap-changers is increased when the control system is designed such that the circuit breaker and on-load tap-changer are switchable in near de-energized state.
  • the disturbances for the metallurgical reaction spaces are reduced to a minimum when the control system is designed such that additionally realized dead times and / or hystereses are provided in the adjustment of the electrodes, which promote the construction of reaction spaces below the electrodes. Frequent mechanical electrode movements to control the electrical parameters disturb these reaction spaces and hinder the metallurgical melting and reduction process.
  • Fig. a six-electrode furnace with paired electrodes
  • FIG. 3 shows a three-electrode furnace with a three-phase transformer in Knappsack circuit
  • Fig. 5 is a set of curves for explaining the advantages of the invention.
  • FIG. 1 shows a control system 1 according to the invention which has a monitor 2, a current controller 3, a phase control 4 and a voltage regulator 5. To control, for example, a personal computer 6 (PC) is connected.
  • PC personal computer
  • the power semiconductor 13 may include two power electronic switches connected in antiparallel, with thyristors, but also controllable power transistors, being preferably used as semiconductor components due to the large power of several MVAs. Via an ignition line 16, the power semiconductor 13 is supplied for switching through with ignition pulses by the control system 1.
  • a hydraulic system 17 causes a slow electrode regulation, so that the voltage ratios of the bath voltages can be compensated for coarse setpoint deviations and the electrode consumption.
  • a measuring device 18 supplies a signal corresponding to the position of the electrode 14 to the control system 1.
  • measuring and monitoring devices 19 are connected to the electrical variables to which the primary voltage U PR
  • the measuring and monitoring devices 19 calculate therefrom the values required for the control system 1.
  • a ground fault monitoring 20 connected to the supply voltage 10, which also delivers its measured values to the control system 1.
  • the control system 1 on which the invention is based can be implemented in a programmable logic controller (PLC), a process control system (PCS), a personal computer (PC) 6 or another computer-aided system.
  • PLC programmable logic controller
  • PCS process control system
  • PC personal computer
  • the input and output variables for the control system 1 are primary and secondary measuring and monitoring devices 19 for the electrical variables as well as the position of the load tap changer or the star-delta switch, if present.
  • the measurement of the electrode position can be integrated into the control and regulation system 1.
  • Output variables of the control system 1 are control values for the hydraulic valves for raising and lowering the electrodes 14 and the manipulated variables for the control electronics of the phase control 4 of the power semiconductors 13.
  • the control system 1 can be extended by the automatic adjustment of the load tap changer of the furnace transformers 11 in order to keep the necessary control angle ⁇ and to avoid gaps in the current during arc operation and partial load.
  • FIG. 2 shows a furnace 15 with six paired electrodes 14, which are connected via the power semiconductors 13 to the phases U, V, W of the secondary side of the furnace transformer 11.
  • FIG. 3 shows a furnace 15 with three electrodes 14, which is connected to a three-phase transformer in a knapsack circuit.
  • the structure of the high current system shown in Figure 4 shows three offset by 120 ° single-phase transformers and AC converters and an angle-symmetrical routing of the high current lines and arrangement of the electrode strands.
  • the Knappsackscrien is used in electric reduction furnaces with three electrodes. With her, the connections of the secondary windings of the furnace transformers are led out and interconnected only at the three electrodes to the triangle. The three electrodes now form a star-shaped load with the furnace bath, wherein the furnace bath forms the star point. Due to the magnetic field compensating arrangement of the high-current conductor, the furnace reactance is reduced. As a result, a greater active power in relation to the transformer power can be introduced into the furnace, so that a better power factor cos ⁇ results.
  • a single-phase, controllable AC converter can be used in conjunction with single-phase furnace transformers or three-phase controllable AC converters in conjunction with three-phase furnace transformers.
  • the power section of the AC converters for current control is implemented per phase via two power electronic switches connected in antiparallel.
  • semiconductor devices thyristors are preferably to be used due to the large power of several MVA.
  • controllable power transistors is conceivable.
  • the knapsack circuit shown in FIGS. 3 and 4 has the advantage of a low-reactance interconnection of the high-current lines by compensating effects of the electric fields. As a result, the generated reactive power component of the reduction furnace can be reduced.
  • the respectively optimum electrode current IE can be passed through the electrode 14 in accordance with a predetermined baking program and damage to the
  • Electrode 14 can be avoided by overcurrents. To avoid a fresh break of the "green" Söderberg electrode, the mechanical adjustment of the electrode 14 can be fixed.
  • the transformers 11 are protected by overcurrent relays, which trigger the O- fenschalter 8 in case of overcurrents and interrupt the production operation. According to the respective voltage level, the corresponding maximum transformer current can be limited by software according to the invention by the control system 1 and thus prevent a shutdown of the transformer by overcurrent.
  • the straight curve section 20 shown in FIG. 5 shows the current limitation as a function of the secondary voltage.
  • FIG. 5 shows a family of curves illustrating the dependence of the secondary voltage and the secondary current on one another.
  • the control system 1 By the control system 1 according to the invention, the power semiconductor 13 can be locked before switching the oven switch 8 or tap changer, so that the circuit breaker can be operated in almost de-energized state. Only the no-load current of the transformers 11 must be switched.
  • the control device enables the operation of a three-electrode or three-electrode three-phase furnace without the need for a bottom electrode.
  • the thyristor sets are switched in antiparallel, whereby the three-phase alternating current is maintained in phase-cut form.
  • the control device on which the present invention is based is specially matched to the process requirements for electroreduction furnaces, in which electrode movements are dispensed with as far as possible, since they have a disruptive effect on the metallurgical melting and reduction process.
  • the hydraulic adjustment of the electrodes should practically only compensate for electrode wear and only react to larger voltage deviations.
  • bath impedance PC Personal Computer For example, bath impedance PC Personal Computer

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für Wechselstrom-Reduktionsöfen (15) mit Elektroden (14), die einen Transformator (11) und ein Regelsystem (1) für den gesteuerten Energieeintrag in die Wechselstrom-Reduktionsöfen (15) aufweist, das eine Verstellvorrichtung (17) für die Elektroden (14) steuert, wobei die Steuervorrichtung weiterhin steuerbare leistungselektronische Wechselstromschalter (13) aufweist, die sekundärseitig in die Hochstromleiter geschaltet und über eine Zündleitung (16) mit dem Regelsystem (1) zur Zuführung von steuernden Zündimpulsen verbunden sind, und wobei die Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass kurze Schwankungen der elektrischen Parameter nur durch die Wechselstromschalter (13) ausgeglichen werden.

Description

Steuervorrichtung für Wechselstrom-Reduktionsöfen
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für Wechselstrom-Reduktionsöfen mit Elektroden, die einen Transformator und ein Regelsystem für den gesteuerten Energieeintrag in die Wechselstrom-Reduktionsöfen aufweist, das eine Verstellvorrichtung für die Elektroden steuert.
Derartige Elektro-Reduktionsöfen, die mit sechs Elektroden bei paarweise einphasigem Anschluss oder mit drei Elektroden in Knappsack-Schaltung bzw. Sternschaltung versehen sein können, dienen der Produktion von Nichteisenmetallen, Eisenlegierungen und Prozessschlacken.
Die Regelung des elektrischen Energieeintrags in den Reduktionsofen erfolgte bisher durch die hydraulische Verstellung der Elektroden. Hierbei wird der Badwiderstand durch Verändern der Eindringtiefe der Elektrode in den Möller und/oder bei Lichtbogenbetrieb - durch die Widerstandsverhältnisse unterhalb der Elektroden beeinflusst. Als Regelgröße dienen hierbei die gemessenen E- lektrodenströme, die aus den jeweiligen Elektrodenströmen und Elektrodenspannungen ermittelten Impedanzen oder die berechneten Widerstände, basierend auf den primärseitigen Messungen der elektrischen Größen. Die Einstellung der Elektrodenspannung erfolgt stufig durch die Veränderung des Übersetzungsverhältnisses der Transformatorenwicklungen mittels Last-Stufenschalter.
Die Ofenleistung unterliegt bei dieser Elektrodenregelung starken Schwankungen, die durch stetige prozessbedingte Veränderungen der Badwiderstände bei eingetauchten Elektroden und/oder Veränderungen der Widerstandsverhältnisse bei einem Lichtbogenbetrieb mit nicht eingetauchten Elektroden verursacht werden. Durch diese permanenten Schwankungen von Strömen, Spannungen und Leistungen ergibt sich ein ungleichmäßiges Einbringen der elektrischen Energie in den Ofen.
Des Weiteren benötigen verschiedene Prozesse zur Produktion von Nichtei- senmetallen und Eisenlegierungen den Aufbau von Reaktionsräumen unterhalb der Elektroden. Häufige mechanische Elektrodenbewegungen zur Ausregelung der elektrischen Parameter stören diese Reaktionsräume und behindern den metallurgischen Schmelz- und Reduktionsprozess.
In der DE 43 09 640 A1 ist ein Gleichstrom-Lichtbogenofen mit einem dem
Stromregelkreis unterlagerten Spannungsregelkreis beschrieben, wobei der Ist- Wert für den Spannungsregler aus der am Stromrichter anliegenden Spannung und der Sollwert aus der Ausgangspannung des Stromreglers gebildet wird und dem Spannungsregler ein auf die Flickerfrequenz abgestimmtes Filter nachge- schaltet ist. Der Gleichstrom-Lichtbogenofen soll auch bei schwachen Versorgungsnetzen - also solchen mit kleinen Kurzschluss-Leistungen - einen flickerfreien Betrieb ermöglichen.
Die DE 41 35 059 A1 betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen, elektrischen Spannungssteuerung, die den Oberschwingungsanteil in der gesteuerten Spannung reduzieren soll. Außerdem lässt sich die Lastspannung feiner einstellen und schnell an eine veränderliche Impedanz anpassen. Ein zur Spannungssteuerung verwendeter Wechselstromsteller braucht nicht für die volle Leistung der Last bemessen zu sein; im Laststrom entstehen keine Strompausen, wel- che z.B. bei einem Elektro-Reduktionsofen einen unruhigen und instabilen
Lichtbogenbetrieb und - wegen der Lastschwankungen - eine variable Blindleistung erzeugen können. Die Vorrichtung eignet sich besonders zum Betrieb von Lichtbogenöfen, bei denen bei konstantem Lichtbogenstrom die Lastspannung schnell verändert werden muss. Sie schwankt von 100 V zu Beginn der Schmelze, über 500 bis 700 V bei genügender Schmelze bis zu 1 ,2 kV Spannung für starke Lichtbögen.
Die DE 35 08 323 C2 beschreibt eine Einrichtung zur Speisung einer oder mehrerer Elektroden eines ein- oder mehrphasigen elektrothermischen Ofens über Haupt- und Zusatztransformatoren, die eine geringe Netzrückwirkung, eine bessere Stromkonstanthaltung und - bei Mehrelektrodenöfen - auch eine individuelle Steuerung der Wirkleistung unter den Elektroden ermöglicht. Es wird je Phase der Strom der Sekundärwicklung gemessen, gleichgerichtet und als Strom-Istwert einem Summierer zugeführt, in dem die Differenz zwischen dem Strom-Sollwert und -Istwert gebildet wird; es wird die Regelabweichung einem Regler zugeführt, dessen Ausgangssignal einem Steuerimpulsgeber zugeleitet wird, der entsprechende Zündimpulse für einen Einphasen-Thyristorsteller erzeugt, wobei der Steller in Reihe mit einer Zwischenkreiswicklung des Haupttransformators und der zugehörigen Primärwicklung geschaltet ist. Eine derarti- ge Vorrichtung ist auf Lichtbogen- und Reduktionsöfen anwendbar.
Aus der DE 34 39 097 A1 ist eine Regelanordnung für einen Gleichstromlichtbogenofen mit einer oder mehreren Elektroden, die als Kathode sowie einer oder mehreren Bodenelektroden die als Anode verschaltet werden, bekannt, bei der Thyristoren zur Gleichrichtung des 3phasigen Wechselstromes in sechs- oder zwölf-pulsiger Brückenschaltung angeordnet sind. Dadurch lassen sich die schnellen und kurzzeitigen Schwankungen des Stroms mit einer Stromregelung und die langsamen und/oder langzeitigen Schwankungen durch eine Verstellvorrichtung für die Elektroden mit einer Spannungsregelung ausgleichen. Ein Thyristorgerät sorgt für eine Stromregelung in Abhängigkeit der Differenz des Strom-Sollwerts und dem Istwert des Elektrodenstroms und für eine Spannungsregelung in Abhängigkeit von Spannung-Sollwert und dem Istwert der Elektrodenspannung, wobei die Spannungsregelung langsamer als die Stromregelung ist und die Einstellung der Elektroden vornimmt. Diese Regelanordnung ist speziell auf die Erfordernisse von Gleichstromlichtbogen zur Stahlherstellung entwickelt worden, bei der die gesamte elektrische Leistung in Form eines Lichtbogens zum Schmelzprozess in den Ofen eingebracht wird.
Die bei Gleichstromöfen erforderlichen Bodenelektroden sind auf Grund der problematischen Anordnung im Boden des Ofengefäßes extremer Belastung ausgesetzt. Die Bodenelektrode ist eine Schwachstelle des Ofens und bedarf einer aufwendigen und gesicherten Kühlung. Ein Wechsel der Bodenelektroden ist bei Reduktionsöfen sehr zeitaufwendig und kostenintensiv.
Die großflächige Schleife des Hochstromkreises des Gleichstromlichtbogenofens wird durch den elektrischen Strom von einem magnetischen Fluss durchsetzt. Dieser Fluss erzeugt am Lichtbogen eine elektrodynamische Kraft, die den Lichtbogen in die zur Einspeisung entgegengesetzte Richtung ablenkt (Are Deflection). Durch diese Lichtbogenablenkung entsteht ein erhöhter einseitiger Verschleiß an der Ofenausmauerung von Reduktionsöfen.
Die DE 28 27 875 betrifft einen Mehrphasen-Lichtbogenofen und Verfahren zu dessen Regelung. Die erforderlichen Werte für die Steuerung der Sekundärseite des Transformators werden aus bestimmten Primär- und/oder Sekundärsei- tenmessungen unter Ausschluss der bezüglich des Ofenbades gemessenen Sekundärphasenspannungen gemessen und berechnet, wobei die Berechnung der gewünschten Regelwerte unter der Annahme erfolgt, dass das Induktanz- verhalten der Sekundärwicklungen während anderer Schwankungen des Lichtbogenofens vorhersagbar ist, und dass die derart berechneten Regelwerte bestimmten Randbedingungen in Abhängigkeit von betriebsbedingten Ofenvariablen unterworfen werden. Eine derartige Vorrichtung ist bei allen Mehrelektrodenöfen einsetzbar. Gemessen werden die primärseitigen Phasen-Spannungen und Stern-Ströme; die sekundärseitigen Werte werden derart abgeleitet, dass - zumindest in vielen Fällen - diese Werte zur besseren Regelung herangezogen werden können.
In der DE 20 34 874 A1 ist eine Anordnung zur Speisung eines Lichtbogen- ofens aus dem Mittel- oder Hochspannungs-Wechselstromnetz offenbart, dass die Elektroden des Lichtbogenofens mit dem Wechselstromnetz über den Ofentransformator und kontaktlose, steuerbare elektronische Schalter verbunden sind, die den Ofenstrom regeln und - im Fall eines Überstroms - unterbrechen. Bei Mehrphasensystemen soll die Regelung helfen, eine unsymmetrische Be- lastung des speisenden Netzes zu vermeiden. Die kontaktlosen, steuerbaren elektronischen Schalter ersetzen auch sowohl den Stufen- als auch den Zwischenstufenschalter des Ofentransformators.
In der DE 20 17 203 A1 ist ein elektrischer Ofen für das Elektroschlacke- Umschmelzverfahren mit bei Strömen von 3 bis 15 Hz selbstverzehrenden E- lektroden beschrieben, wobei Thyristor-Direktumrichter, Drehstrom- Transformator und Ofenkreis mit Elektrode und Wandung und Zwischenkreis mit Einphasen-Transformator einen elektrischen Kreis bilden.
Die EP 0 589 544 B1 betrifft eine dreiphasige Lichtbogenofenanlage mit in Reihe geschalteter Drossel und über die Drossel parallel geschalteter Drehstrom- Thyristorbrücke als steuerbarer Überbrückungsschalter, wobei die Steuerung in Verbindung mit einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage neben elektrischen Daten, wie Strom Spannung, Oberwellengehalt und Flicker, auch Pro- zessdaten verarbeitet und nach Soll-Ist-Datenabgleich agiert.
Aus der EP 0 498 239 B1 ist ein Verfahren zur Elektrodenregelung eines Gleichstrom-Lichtbogenofens und Elektrodenregeleinrichtung sowie eine Vorrichtung bekannt, bei denen die Berechnung des Sollwerts für die Elektrodenre- gelung umgangen wird, in dem statt der Gleichspannung ein dem Aussteuerwinkel proportionales Signal aus dem Stromregler genommen wird. Dieses Signal wird über ein Dämpfungsglied geführt, das neben der Signalanpassung auch die Grenzwerte überwacht und unerwünschte Frequenzen aussiebt. Der Sollwert entspricht der mittleren Aussteuerung des Gleichrichters. Die Lichtbo- genlänge stellt sich unabhängig von einer Spannungsänderung so ein, dass der verlangte Strom mit einer vorgegebenen Aussteuerung am Gleichrichter erreicht wird; für die Konstanthaltung des Stroms steht immer ein ausreichender Regelbereich zur Verfügung. Mit der Ausregelung auf konstante Aussteuerung am Gleichrichter wird auch ein konstanter mittlerer Leistungsfaktor im speisen- den Netz erreicht.
Die EP 0 429 774 A1 offenbart eine Einrichtung und ein Verfahren zur Speisung eines mehrphasigen Lichtbogenofens mit gesteuertem Strom bestehend aus einem Drehstromnetz, einer gesteuerten Serienreaktanz, einem dreiphasigen Ofentransformator und einem Lichtbogenofen mit einem hydraulisch arbeitenden Elektroden-Regulierungssystem. Über einen Stromwandler wird der Strangstrom gemessen und einem Thyristor-gesteuerten Induktor mit einer Steuereinrichtung zugeführt, die wiederum die im Hauptschluss liegende Serienreaktanz beeinflusst. Weitere einflussnehmende Messsignalgrößen sind die Elektrodenposition und die Transformatorspannung.
In der WO 02/28146 A1 ist ein automatischer Elektrodenregler auf der Grundlage der direkten Leistungsfaktorregulierung und ein Verfahren für einen Elektro- lichtbogenofen beschrieben, der einen Ofentransformator aufweist, bestehend aus je einem Transformator zur Messung des Betriebsstroms und der -
Spannung der Elektrode, einem Umformer zur Berechnung der Wirkleistung der Elektrode, einem Umformer zur Berechnung der Bindleistung der Elektrode, einer programmierbaren Kontrolleinheit zur Berechnung des Leistungsfaktors der Elektrode und Abgleich mit einem vorgegebenen Sollwert sowie einer Elekt- roden-Höhenverstell- und Messeinrichtung, die mit der Kontrolleinheit signaltechnisch verbunden ist und die Elektrode derart verfährt, dass sich der tatsächliche Leistungsfaktor der Sollwertvorgabe weitestgehend annähert.
Die elektrischen Parameter der Elektro-Reduktionsöfen werden durch das hyd- raulische Heben bzw. Senken der Elektroden möglichst konstant gehalten. Diese Parameter schwanken jedoch permanent durch die Veränderung des Badwiderstands bei eingetauchten Elektroden und/oder durch die Veränderung der Widerstandsverhältnisse bei einem Ofenbetrieb mit nicht eingetauchten Elektroden, dem Lichtbogenbetrieb. Hierdurch ergibt sich ein ungleichmäßiges Ein- bringen der elektrischen Energie in den Ofen. Weiterhin wird durch teilweise sehr starke Elektrodenbewegungen der Aufbau von Reaktionsräumen im Ofen erschwert.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Steuervorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass der Leistungseintrag in den Elektro- Reduktionsofen stabilisiert und dadurch den Energieeintrag und die Produktion erhöht wird. Des Weiteren sollen die Elektrodenbewegungen auf ein Mindestmaß reduziert werden, damit sich Reaktionsräume ungestört aufbauen können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Steuervorrichtung weiterhin steuerbare leistungselektronische Wechselstromschalter aufweist, die sekundärseitig in die Hochstromleiter geschaltet und über eine Zündleitung mit dem Regelsystem zur Zuführung von steuernden Zündimpulsen verbunden sind, wobei die Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass kurze Schwan- kungen der elektrischen Parameter nur durch die Wechselstromschalter ausgeglichen werden. Dadurch, dass die Regelung des Energieeintrags nicht mehr nur durch die Veränderung der Elektrodenposition erfolgt, sondern hauptsächlich mittels steuerbarer leistungselektronischer Schalter, die sekundärseitig in die Hochstromleiter geschaltet werden. Durch Phasenanschnittsteuerung der Leistungs-Halbleiter gelingt es, den Effektivwert der Sekundärströme stufenlos zu regeln. Die Phasenanschnittsteuerung der Leistungs-Halbleiter ist sehr schnell im Vergleich zur bisherigen mechanischen Verstellung der Elektroden. Hierdurch kann auf die Änderungen der elektrischen Parameter des Prozesses schneller reagiert werden und somit die Ofenleistung stabilisiert werden.
Die Aufgabe der mechanischen Verstellung der Elektroden beschränkt sich auf das Ausgleichen der Spannungsverhältnisse der Badspannungen bei groben Sollwertabweichungen und dem Ausgleichen des Elektrodenabbrands.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Regelsystem eine Phasenanschnittsteuerung der Leistungs-Halbleiter aufweist, die die Effektivwerte der Sekundärströme stufenlos regelt.
In vorteilhafter weise kann das Regelsystem derart ausgebildet sein, dass es die Effektivwerte der Sekundärströme bei Reduktionsöfen in Knappsack- Schaltung regelt.
Erfindungsgemäß können die Leistungs-Halbleiter antiparallel geschaltete Thyristorsätze aufweisen, so dass eine Phasenanschnittssteuerung des dreiphasi- gen Wechselstroms erfolgt.
Im Gegensatz zur mechanischen Verstellung der Elektroden kann die Phasenanschnittsteuerung der Leistungs-Halbleiter schnell auf Änderungen der elektrischen Parameter des Ofenprozesses reagieren und die Ofenleistung stabilisie- ren.
In vorteilhafter weise kann die Verstellvorrichtung für die Elektroden derart ausgebildet sein, dass die Spannungsverhältnisse der Badspannungen bei groben Sollwertabweichungen und der Elektrodenabbrand ausgeglichen werden. Eine optimale Regelung erhält man, wenn die Strom- und Spannungsregelung weitestgehend entkoppelt ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Elektroden des Hochstromsys- tems des Reduktionsofens paarig im Stern verschaltet sind. Alternativ können die Elektroden des Hochstromsystems des Reduktionsofens mit einem Dreiphasen-Transformator oder drei Einphasen-Transformatoren in Knappsack- Schaltung verschaltet sein. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Elektroden des Hochstromsystems des Reduktionsofens im Dreieck zu verschalten.
In besonders vorteilhafter weise kann das Regelsystem derart ausgebildet sein, dass die einzelnen Elektrodenströme zum Backen der Söderberg-Elektroden begrenzbar sind.
Erfindungsgemäß kann das Regelsystem derart ausgebildet sein, dass die Transformatorströme zur Vermeidung von Beschädigungen durch Überströme, insbesondere im Spannungsbereich unterhalb des Leistungsknickpunktes, oder die Transformatorleistung zur Vermeidung von Übertemperaturen und damit Vergrößerung der Lebensdauer der Transformatoren, insbesondere im Span- nungsbereich oberhalb des Stromknickpunktes, begrenzbar ist.
Auch ist erfindungsgemäß möglich, das Regelsystem derart auszubilden, dass die Blindleistung zur Einhaltung von Garantiewerten für den Leistungsfaktor begrenzbar ist.
Die Lebensdauer von Leistungsschaltern und Laststufenschaltern wird erhöht, wenn das Regelsystem derart ausgebildet ist, dass die Leistungsschalter und Laststufenschalter in nahezu stromlosem Zustand schaltbar sind. Die Störungen für die metallurgischen Reaktionsräume reduzieren sich auf ein Minimum, wenn das Regelsystem derart ausgebildet ist, dass zusätzlich realisierte Totzeiten und/oder Hysteresen bei der Verstellung der Elektroden vorgesehen sind, die den Aufbau von Reaktionsräumen unterhalb der Elektroden fördern. Häufige mechanische Elektrodenbewegungen zur Ausregelung der elekt- rischen Parameter stören diese Reaktionsräume und behindern den metallurgischen Schmelz- und Reduktionsprozess.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Regelsystem für eine einphasigen Aufbau,
Fig2. einen Sechs-Elektroden-Ofen mit paarig verschalteten Elektroden,
Fig. 3 einen Drei-Elektroden-Ofen mit einem Drei-Phasen-Transformator in Knappsack-Schaltung,
Fig. 4 einen symmetrisch aufgebauten Drei-Elektroden-Reduktionsofen mit drei
Einphasen-Transformatoren in Knappsack-Schaltung und
Fig. 5 eine Kurvenschar zur Erläuterung der Vorteile der Erfindung.
In der Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Regelsystem 1 dargestellt, dass eine Überwachung 2, eine Stromregelung 3, eine Phasenanschnittssteuerung 4 und eine Spannungsregelung 5 aufweist. Zur Steuerung ist beispielsweise ein Personal Computer 6 (PC) angeschlossen.
In der Figur 1 ist jedoch lediglich ein Strang eines Drei-Phasen-Systems dargestellt. Über eine Schaltleitung 7 kann ein Ofenschalter 8 mittels eines Motors 9 den nachfolgend beschriebenen Ofen an die Versorgungsspannung 10 anschalten. Diese liegt dann an der Primärseite eines Ofentransformators 11 an, dessen Last-Stufenschalter sich mittels einer Stellvorrichtung 12 durch dass Regelsys- tem 1 regeln lässt.
An der Sekundärseite des Ofentransformators 11 ist ein elektronischer Wechselstrom-Schalter, ein Leistungs-Halbleiter 13, angeschlossen, der mit einer Elektrode 14 verbunden ist, die in einem Bad des geerdeten Ofens 15 eintau- chen kann.
Der Leistungs-Halbleiter 13 kann zwei antiparallel geschaltete leistungselektronische Schalter enthalten, wobei als Halbleiterbauelemente auf Grund der großen Leistungen von mehreren MVA vorzugsweise Thyristoren, jedoch auch steuerbare Leistungstransistoren einsetzbar sind. Über eine Zündleitung 16 wird der Leistungs-Halbleiter 13 zum Durchschalten mit Zündimpulsen durch das Regelsystem 1 versorgt.
Ein Hydrauliksystem 17 bewirkt eine langsame Elektrodenregulierung, so dass sich die Spannungsverhältnisse der Badspannungen bei groben Sollwertabweichungen und der Elektrodenabbrand ausgleichen lassen. Eine Messvorrichtung 18 der liefert ein der Position der Elektrode 14 entsprechendes Signal an das Regelsystem 1.
An dem Regelsystem 1 sind Mess- und Überwachungseinrichtungen 19 für die elektrischen Größen angeschlossen, denen die Primärspannung UPR| und die Primärströme IPR| entsprechende Messwerte zugeführt werden. Die Mess- und Überwachungseinrichtungen 19 berechnen daraus die für das Regelsystem 1 erforderlichen Werte. Vor den Ofenschalter 8 ist eine Erdschlussüberwachung 20 mit der Versorgungsspannung 10 verbunden, die seine Messwerte ebenfalls an das Regelsystem 1 liefert.
Das der Erfindung zugrunde liegende Regelsystem 1 kann in einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), einem Prozessleitsystem (PLS), einem Personal Computer (PC) 6 oder einem anderen computergestützten System realisiert werden. Als Eingangsgrößen für das Regelsystem 1 dienen primär- und sekundärseitige Mess- und Überwachungseinrichtungen 19 für die elektrischen Größen sowie die Position der Last-Stufenschalter bzw. des Stern- Dreieck-Schalters - soweit vorhanden. Optional kann die Messung der Elektro- denposition mit in das Steuer- und Regelsystem 1 eingebunden werden.
Ausgangsgrößen des Regelsystems 1 sind Stellwerte für die Hydraulikventile zum Heben und Senken der Elektroden 14 sowie die Stellgrößen für die Steuerelektronik der Phasenanschnittsteuerung 4 der Leistungs-Halbleiter 13.
Das Regelsystem 1 kann um die automatische Verstellung der Last- Stufenschalter der Ofentransformatoren 11 erweitert werden, um den notwendigen Steuerwinkel α in Grenzen zu halten und ein Lücken des Stroms bei Lichtbogenbetrieb und Teillast zu vermeiden.
In den Figuren 2 bis 4 ist das Wechselstromschaltbild der Drei-Phasen der Hochstrom-Seite dargestellt. Die Figur 2 zeigt einen Ofen 15 mit sechs paarig verschalteten Elektroden 14, die über die Leistungs-Halbleiter 13 mit den Phasen U, V, W der Sekundärseite des Ofentransformators 11 verbunden sind.
In der Figur 3 ist ein Ofen 15 mit drei Elektroden 14 dargestellt, der an einem Drei-Phasen-Transformator in Knappsack-Schaltung angeschlossen ist. Der in Figur 4 dargestellte Aufbau des Hochstromsystems zeigt drei um 120° versetzte Einphasen-Transformatoren und Wechselstromrichter sowie eine winkelsymmetrischen Verlegung der Hochstromleitungen und Anordnung der Elektrodenstränge. Durch diesen durchgängig symmetrischen Aufbau können gleiche Verhältnisse der jeweiligen Impedanzen erreicht werden, die einen mög- liehst gleichmäßigen Leistungseintrag in den Reduktionsofen erleichtern und damit das Hochspannungsnetz möglichst symmetrisch belasten. Prozessbedingte unsymmetrische Belastungen können durch die Erfindung gut ausgeregelt werden.
Die Knappsackschaltung wird bei Elektroreduktionsöfen mit drei Elektroden eingesetzt. Bei ihr werden die Anschlüsse der Sekundärwicklungen der Ofentransformatoren herausgeführt und erst an den drei Elektroden zum Dreieck verschaltet. Die drei Elektroden bilden nun mit dem Ofenbad eine sternförmige Last, wobei das Ofenbad den Sternpunkt bildet. Durch die das Magnetfeld kompensierende Anordnung der Hochstromleiter verringert sich die Ofen- Reaktanz. Hierdurch kann eine im Verhältnis zur Transformatorenleistung größere Wirkleistung in den Ofen eingebracht werden, so dass sich ein besserer Leistungsfaktor cos φ ergibt.
Zum Einsatz können hierbei jeweils ein einphasiger, steuerbarer Wechselstromrichter in Verbindung mit Ein-Phasen-Ofentransformatoren oder dreiphasige steuerbare Wechselstromrichter in Verbindung mit Drei-Phasen- Ofentransformatoren kommen. Der Leistungsteil der Wechselstromrichter zur Stromregelung wird pro Phase über jeweils zwei antiparallel geschaltete leis- tungselektronische Schalter realisiert. Als Halbleiterbauelemente sind auf Grund der großen Leistungen von mehreren MVA vorzugsweise Thyristoren einzusetzen. Jedoch ist auch der Einsatz von steuerbaren Leistungstransistoren denkbar. Die in den Figuren 3 und 4 dargestellte Knappsack-Schaltung hat den Vorteil einer Reaktanz-armen Verschaltung der Hochstromleitungen durch Kompensationseffekte der elektrischen Felder. Hierdurch kann der erzeugte Blindleistungsanteil des Reduktionsofens verringert werden. Es ist jedoch auch eine Schaltung möglich, bei der die Sekundärwicklungen des Transformators in Dreieck geschaltet werden, mit drei zu den Hochstromleitungen herausgeführten Sekundäranschlüssen, die über die Elektrodenstränge und das Bad zum Stern verschaltet werden, wie es z.B. bei Lichtbogenöfen zur Stahlerzeugung üblich ist.
Neben der oben beschriebenen Hauptaufgabe der Erfindung ergeben sich zusätzlich noch weitere, im Folgenden beschriebene Vorteile.
1. Begrenzung der einzelnen Elektrodenströme zum Backen der Söder- berg-Elektroden
Beim Anfahren des Ofens oder nach Elektrodenbrüchen ist es wichtig, den E- lektrodenstrom IE je nach Fortschritt des Backens zu begrenzen und um Beschädigungen zu vermeiden. Mit Hilfe des Wechselstromrichters kann der jeweils optimale Elektrodenstrom IE nach einem vorgegebenen Backprogramm durch die Elektrode 14 geführt werden und eine Beschädigung der
Elektrode 14 durch Überströme vermieden werden. Um einen frischen Bruch der „grünen" Söderberg-Elektrode zu vermeiden, kann die mechanische Verstellung der Elektrode 14 festgesetzt werden.
2. Begrenzung der Transformatorströme zur Vermeidung von Beschädigungen durch Überströme, speziell im Spannungsbereich unterhalb des Leistungs-Knickpunktes Die Transformatoren 11 werden durch Überstromrelais geschützt, die den O- fenschalter 8 bei Überströmen auslösen und den Produktionsbetrieb unterbrechen. Entsprechend der jeweiligen Spannungsstufe kann durch das erfindungsgemäße Regelsystem 1 der zugehörige maximale Transformatorstrom softwaremäßig begrenzt werden und so einer Abschaltung des Transformators durch Überstrom vorgebeugt werden. Der in Figur 5 dargestellte gerade Kurvenabschnitt 20 zeigt die Strombegrenzung in Abhängigkeit der Sekundärspannung. In der Figur 5 ist eine Kurvenschar dargestellt, die die Abhängigkeit der Sekundärspannung und des Sekundärstromes voneinander veranschaulicht.
3. Begrenzung der Transformatorleistung zur Vermeidung von Übertemperaturen und damit Vergrößerung der Lebensdauer der Transformatoren, speziell im Spannungsbereich oberhalb des Stromknickpunktes
Eine durch geringe Badwiderstände verursachte Überschreitung der maximal zulässigen Scheinleistung können die Ofentransformatoren 11 durch Übertemperaturen beschädigt bzw. die Lebensdauer der Ofentransformatoren 11 verkürzt werden. Mit Hilfe des Wechselrichters kann die Scheinleistung der Ofentransformatoren 11 durch den Wechselstromsteller auf den Maximalwert begrenzt werden. Dies wird durch eine Strombegrenzung in Abhängigkeit von der jeweiligen Spannungsstufe erreicht, wie dies beispielsweise dem zweiten Kurvenabschnitt 21 in der Figur 5 zu entnehmen ist.
4. Begrenzung der Blindleistung zur Einhaltung von Garantiewerten für den Leistungsfaktor
Häufig müssen zwischen Betreiber und Energieversorger vertraglich vereinbarte Grenzwerte für den Leistungsfaktor cos φ eingehalten werden. Durch das Regelsystem können Unterschreitungen des Grenzwertes durch einfache Reduzierung der Ofenleistung vermieden werden. 5. Vermeidung und Begrenzung von ofendesign- und prozessbedingten, unsymmetrischen Belastungen des speisenden Hochspannungsnetzes
Durch die Ofengeometrie, wie z.B. Rechtecköfen, und/oder der Anordnung der Elektroden 14 in Reihe und/oder der Verwendung eines Dreiphasen- Transformators bzw. von drei Einphasen-Transformatoren mit einer Anordnung in Reihe ergeben sich zwangsläufig Unsymmetrien bei der Verlegung der Hochstromleiter und damit unterschiedliche Verlustwiderstände und Blindwiderstände. Unsymmetrische Belastungen ergeben sich aber auch durch prozessbe- dingte unterschiedliche Widerstandsverhältnisse des Bades im Reduktionsofen. Diese unerwünschten unsymmetrischen Netzbelastungen können durch das Regelsystem 1 gut korrigiert werden.
6. Erhöhung der Lebensdauer von Leistungsschaltern und Laststufenschal- tern durch Schalten in nahezu stromlosem Zustand
Durch das Schalten von Ofenschalter 8 und Spannungsstufenschaltern unter Last verringert sich üblicherweise die Lebensdauer der elektrischen Betriebsmittel. Auch können bei schwachen Netzen Flickererscheinungen auf Grund der großen Schaltleistungen entstehen. Durch das erfindungsgemäße Regelsystem 1 können die Leistungs-Halbleiter 13 vor dem Schalten der Ofenschalter 8 oder Stufenschalter gesperrt werden, so dass die Leistungsschalter in nahezu stromlosem Zustand betätigt werden können. Lediglich der Leerlaufstrom der Transformatoren 11 muss geschaltet werden.
Des Weiteren kann auf Grund des verbesserten Regelverhaltens und der Möglichkeit, den Elektrodenstrom beim Anfahren des Ofens 15 zu begrenzen, die sonst große Anzahl von Spannungsstufen reduziert werden. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung ermöglicht den Betrieb eines Drehstromofens mit drei oder sechs Elektroden ohne die Notwendigkeit einer Bodenelektrode. Die Thyristorsätze werden antiparallel geschaltet, wobei der dreiphasige Wechselstrom in phasenangeschnittener Form erhalten bleibt.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Regeleinrichtung ist speziell auf die Prozessanforderungen für Elektroreduktionsöfen abgestimmt, bei der möglichst auf Elektrodenbewegungen verzichtet wird, da sie auf den metallurgischen Schmelz- und Reduktionsprozess störend wirken. Die hydraulische Verstellung der Elektroden soll praktisch nur den Elektrodenabbrand ausglei- chen und nur auf größere Spannungsabweichungen reagieren.
Da der Sekundärstrom bei Öfen mit Knappsack-Schaltung nicht gleich den E- lektrodenstrangströmen ist, ist hierbei ein besonderes Regelverfahren erforderlich, das durch das erfindungsgemäße Regelsystem 1 ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste
1 Regelsystem
2 Überwachung
3 Stromregelung
4 Phasenanschnittssteuerung
5 Spannungsregelung
6 Personal Computer
7 Schaltleitung
8 Ofenschalter
9 Motor
10 Versorgungsspannung
11 Ofentransformator
12 Stellvorrichtung
13 Leistungs-Halbleiter
14 Elektrode
15 Ofen
16 Zündleitung
17 Hydrauliksystem
18 Messvorrichtung der Elektrodenposition
19 Mess- und Überwachungseinrichtungen für die elektrischen Größen
20 Erdschlussüberwachung
21 gerader Kurvenabschnitt
22 zweiter Kurvenabschnitt
Zτ Trafo-Impedanz
ZH Impedanz
ZE Elektroden-Impedanz
ZB Bad-Impedanz PC Personal Computer
PLS Prozessleitsystem
SPS speicherprogrammierbare Steuerung
A Ampere/Dimension
AC Wechselstrom (Alternating Current) En Messpunkt f Netzfrequenz
I Strom
lEn Strom
Ipri Primärseitiger Strom
Uec Sekundärseitiger Strom l+/-n Strangstrom m 1CT3 (Milli)/Zahlenfaktor
k 103 (Kilo)/Zahlenfaktor
M 106 (Mega)/Zahlenfaktor
M Motorkennzeichen/Symbol n Ordnungszahl
P Wirkleistung
Q Blindleistung
S Scheinleistung
SN Nennscheinleistung
S SC Scheinleistung
SAF ? tap Zeit
U Spannung uk Kurzschlussspannung
UN Netzspannung
Upn Primärseitige Spannung
Usec Sekundärseitige Spannung
U1 V, W Phasen elektrisches Sj
VA Volt Ampere/Dimension
V Volt/Dimension
Var Voltamperereaktiv/Dimension
W Elektrische Arbeit
W Watt/Dimension
Wh Wattstunden/Dimension ZBΠ Impedanz, bezogener Widerstand
ZEΠ Impedanz
ZH+/-Π Impedanz
ZTn Impedanz
α Steuerwinkel, Phasenanschnittwinkel cos φ Leistungsfaktor

Claims

Patentansprüche
1. Steuervorrichtung für Wechselstrom-Reduktionsöfen (15) mit Elektroden
(14), die einen Transformator (1 1 ) und ein Regelsystem (1 ) für den gesteuerten Energieeintrag in die Wechselstrom-Reduktionsöfen (15) aufweist, das eine Verstellvorrichtung (17) für die Elektroden (14) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung weiterhin steuerbare leistungselektronische
Wechselstromschalter (13) aufweist, die sekundärseitig in die Hochstromleiter geschaltet und über eine Zündleitung (16) mit dem Regelsystem (1 ) zur Zuführung von steuernden Zündimpulsen verbunden sind, wobei die Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass kurze Schwan- kungen der elektrischen Parameter nur durch die Wechselstromschalter
(13) ausgeglichen werden.
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem (1 ) eine Phasenanschnittsteuerung (4) der
Leistungs-Halbleiter (13) aufweist, die die Effektivwerte der Sekundärströme (Uec) stufenlos regelt.
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem (1 ) derart ausgebildet ist, dass es die Effektivwerte der Sekundärströme (lsec) bei Reduktionsöfen in Knappsack-Schaltung regelt.
4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungs-Halbleiter (13) antiparallel geschaltete Thyristorsätze aufweist.
5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenanschnittsteuerung (4) der Leistungs-Halbleiter (13) schnell auf Änderungen der elektrischen Parameter des Ofenprozesses reagiert und die Leistung des Ofens (15) stabilisiert.
6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (16) für die Elektroden (14) derart ausgebildet ist, dass die Spannungsverhältnisse der Badspannungen bei groben Sollwertabweichungen und der Elektrodenabbrand ausgeglichen werden.
7. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom- (3) und Spannungsregelung (5) weitestgehend entkop- pelt ist.
8. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (14) des Hochstromsystems des Reduktionsofens (15) paarig im Stern verschaltet sind.
9. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (14) des Hochstromsystems des Reduktionsofens
(15) mit einem Dreiphasen-Transformator oder drei Einphasen- Transformatoren (11) in Knappsack-Schaltung verschaltet sind.
10. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (14) des Hochstromsystems des Reduktionsofens (15) in Dreieck-Schaltung verschaltet sind.
11. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem (1 ) derart ausgebildet ist, dass die einzelnen E- lektrodenströme (IE) zum Backen der Söderberg-Elektroden begrenzbar sind.
12. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem (1 ) derart ausgebildet ist, dass die Transformatorströme zur Vermeidung von Beschädigungen durch Überströme, insbesondere im Spannungsbereich unterhalb des Leistungsknickpunktes, be- grenzbar sind.
13. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem (1 ) derart ausgebildet ist, dass die Transformator- leistung zur Vermeidung von Übertemperaturen der Transformatoren
(11 ), insbesondere im Spannungsbereich oberhalb des Stromknickpunktes, begrenzbar ist.
14. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem (1) derart ausgebildet ist, dass die Blindleistung zur Einhaltung von Garantiewerten für den Leistungsfaktor (cos φ) begrenzbar ist.
15. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem (1 ) derart ausgebildet ist, dass die Leistungsschalter (8) und Laststufenschalter in nahezu stromlosem Zustand schaltbar sind.
16. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem (1 ) derart ausgebildet ist, dass zusätzlich realisierte Totzeiten und/oder Hysteresen bei der Verstellung der Elektroden (14) vorgesehen sind.
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