EP1915889A1 - Elektronischer schaltkreis und verfahren zum einspeisen von elektrischer energie in einen wechselstrom-elektroofen - Google Patents

Elektronischer schaltkreis und verfahren zum einspeisen von elektrischer energie in einen wechselstrom-elektroofen

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EP1915889A1
EP1915889A1 EP06776359A EP06776359A EP1915889A1 EP 1915889 A1 EP1915889 A1 EP 1915889A1 EP 06776359 A EP06776359 A EP 06776359A EP 06776359 A EP06776359 A EP 06776359A EP 1915889 A1 EP1915889 A1 EP 1915889A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrode
current
electric furnace
electronic circuit
power controller
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Application number
EP06776359A
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English (en)
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EP1915889B1 (de
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Roland König
Thomas Pasch
Andreas Haaks
Rolf Degel
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SMS Siemag AG
Original Assignee
SMS Demag AG
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Publication date
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Publication of EP1915889B1 publication Critical patent/EP1915889B1/de
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/005—Electrical diagrams
    • 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
    • H05B7/18—Heating by arc discharge
    • 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
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/22—Furnaces without an endless core
    • H05B6/30—Arrangements for remelting or zone melting

Definitions

  • the invention relates to an electronic circuit and a method for feeding at least one electrode of an AC electric furnace, in particular for melting metal with energy.
  • the invention is applicable to electric furnaces for the production of non-ferrous metals, iron alloys, process slags, steel and slag cleaning.
  • the electric furnaces can be designed as electric reduction ovens, as electric low shaft ovens or as electric arc furnaces.
  • Such an electronic circuit for feeding an AC electric furnace is known from German patent application DE 2 034 874.
  • the disclosed there electronic circuit is connected between a power grid and the at least one electrode of the electric furnace. It comprises a series connection consisting of an on / off switch for the electric furnace, a transformer for providing a supply voltage for the electric furnace from the power grid and an alternating current controller connected between the transformer and the electrode for controlling the current through the electrode.
  • An alternating current controller typically consists of two antiparallel-connected thyristors and realizes the current control in the form of a phase control.
  • the thyristors which realize the power part of the current controller, are typically designed for the entire working range of the electric furnace, that is to say a very large current range.
  • High-performance ovens which are operated with high supply voltages, are usually required due to the high thyristor blocking voltages very expensive series of thyristors.
  • high blocking-voltage thyristors typically can not switch large currents; For switching large currents, as they can certainly occur under certain operating conditions, in particular in a resistance operation, the electric furnace, therefore, many individual thyristors or whole AC power controllers must be connected in parallel. This is the only way to achieve the high electrode currents required for at least individual operating states. In order to ensure reliable operation of the electric furnace in all operating states, in particular also at high electrode currents, traditionally expensive and complex converter circuits are therefore required.
  • the present invention seeks to develop a known electronic circuit and a method for feeding electrical energy into an AC electric furnace constructively simple and inexpensive to the effect that operation of the electric furnace in all operating conditions, especially at high Electrode currents, easily possible.
  • an electronic circuit for feeding an AC electric furnace is characterized by a current measuring device for measuring the amount of current flowing through the electrode, a bypass circuit breaker which is connected in parallel to the AC divider, and a control device for opening or closing of the bypass switch as dictated by the amount of current flowing through the electrode.
  • the mentioned characterizing features are very simple and thus inexpensive to implement. In their claimed configuration, they advantageously enable bridging of the AC power actuator in the event of imminent danger Overload, that is during operating conditions of the electric furnace, which require a particularly large electrode current.
  • these operating conditions such as a resistance operation with immersed electrodes and no arc content, no special control of the electrode current through the AC power controller; its function is then dispensable and is then bridged as claimed.
  • the bypass switch is opened according to the invention, with the result that the electrode current is then passed through the AC power controller and can be controlled by this.
  • the amount of current through the electrode during operation with arc is less than during a resistance operation without arc.
  • the inventive provision of the bypass switch, the electronic circuit is adapted to different operating conditions of the electric furnace, as they arise due to metallurgical requirements, very simple and inexpensive.
  • the above object is further achieved by a claimed method for feeding electrical energy into an AC electric furnace or in the electrode thereof.
  • the advantages of this method correspond to the advantages mentioned above with respect to the claimed electronic circuit.
  • FIG. 1 shows the electronic circuit according to the invention
  • FIG. 2 shows a typical voltage-current-power diagram U-I-P diagram for an electroreduction furnace
  • Figure 3 shows a cross section through the electrode and melt in an electric furnace and an associated electrical equivalent circuit diagram for this portion of the electrode current
  • Figure 4 shows the diagram of Figure 2 with additionally marked different operating ranges of the electric furnace and drawn current threshold
  • the electrodes Roden 11 interconnected for energy input into the furnace vessel 12 in pairs.
  • the electrodes are usually connected in a knapsack circuit in order to reduce the reactance of the high-current line.
  • the Knappsackscrien but also a star connection of the electrodes is possible.
  • FIG. 1 shows the electronic circuit according to the invention for feeding electrical energy into an electric furnace.
  • FIG. 1 shows a single-phase representation; corresponding circuits could be provided for further phases.
  • the power supply for the electric furnace usually takes place from a medium-voltage network 1.
  • the electronic circuit comprises a furnace transformer 6, which with its primary side the medium-voltage network 1, hereinafter also called power network, and facing with its secondary side of the electrode 11.
  • the electronic circuit comprises a first series circuit comprising a voltage measuring device 2, a furnace circuit breaker 3 for switching on or off the electric furnace, a current measuring device 4, optionally a star / delta switch for selectively switching the primary winding of the open-transformer in a star or delta connection and an overvoltage protection 13.
  • the Ste ⁇ v / delta switch allows a shift of the rated voltage range of the furnace transformer 6 by, for example, the factor 1, 73 up or down.
  • the electronic circuit essentially comprises a second series circuit consisting of a first circuit breaker 10a, an alternating current controller 8 and a second circuit breaker 10b.
  • the circuit breakers 10a and 10b allow for closed high-current circuit breaker 9 an electrical separation or an expansion of the AC power controller 8, for example For maintenance, without the furnace operation, in particular the resistance operation with immersed electrodes and without arc portion should be interrupted for it.
  • the AC power controller 8 allows control of the electrode current in the form of a phase control.
  • the electronic circuit has been supplemented by a bypass switch 9 which is connected in parallel with the alternating current controller 8 and optionally also in parallel with the first and second circuit breakers 10a and 10b and which is controlled by a control device 14.
  • the controller 14 may be implemented in the form of a stored program controller, a process control system, or other computerized system.
  • FIG. 2 shows a typical voltage-current-power diagram U-I-P diagram for a 6-electrode electroreduction furnace.
  • effective power lines 100 as a function of the secondary current, plotted on the ordinate axis, and the secondary voltages, plotted on the abscissa axis, are shown.
  • the family of curves 200 identifies the furnace resistance.
  • the short-circuit impedance of the electric furnace is symbolized here by the characteristic 300.
  • characteristic curves 4a and 4b show the maximum permissible current through the electrode as a function of the secondary voltage for the primary-side star connection of the transformer windings 4a and for the primary-side delta connection the transformers of the transformer windings 4b.
  • Characteristic curve 500 illustrates the maximum rated current of the AC converter 8 according to the invention, that is to say the current threshold value.
  • an electric furnace can typically be divided into essentially the following metallurgical operating states:
  • the energy required for the process is generated by resistance heating of the slag.
  • the electrodes 11 are clearly submerged in the slag, the immersion depth is dependent inter alia on the electrode diameter; However, it is usually about 200 mm.
  • electric current is passed through the slag, converting electrical energy into Joule heat due to the electrical resistance of the slag, which promotes a metallurgical endothermic reaction, for example, reduction and melting.
  • the resistance operation with immersed electrodes and without arc portion is characterized by high electrode currents and relatively low secondary voltages, which are well below 1000 V.
  • the electric furnace can therefore also be operated conventionally, that is without current control. Therefore, it is recommended during this operation, the bypass switch. 9 close and so to bridge the AC power 8. In this way, the power semiconductors, typically thyristors, in the AC power controller 8 are protected from excessive currents.
  • the majority of the energy required for this operation of the electric furnace is generated by resistance heating of the slag. Electric current is passed through the slag, converting the electric energy into Joule heat through the resistance of the slag. The Joule heat thereby promotes a metallurgical endothermic reaction, for example reduction and melting. An additional smaller energy input can be effected by an arc occurring in the lower region of the electrodes or below them. This is possible with only minimally immersed electrodes or at an electrode position directly above the slag bath. For this mode of operation usually relatively large currents and comparatively low voltages are required; see Figure 4, area b). However, the voltages in this mode are significantly higher than with immersed electrodes. Specifically, the secondary voltages are typically in the range around 1000 V for furnaces of around 30 to 50 MW output.
  • FIG. 3 also shows an electrical equivalent circuit diagram for the electrical path through the electrode 11, the arc L, the slag S and the molten metal 15.
  • the ohmic resistance of the electrode 11 and the molten metal 15 can be assumed to be zero. There then remain for the electrode current an ohmic resistance R L due to the arc L and an ohmic resistance Rs through the slag S.
  • the voltages are usually above 1000 V.
  • the entire required electrode current is guided and regulated via the alternating current controller 8.
  • the high-current circuit breaker 9 is opened here.
  • the transition between modes b) and c) is fluent. Basically, only when increasing the power by increasing the secondary voltage of the transformer 6, with increasing proportion of the arc L at the energy input, see Figure 3, and falls below the threshold current 300 for the electrode current of the bypass breaker 9 is opened and the first and second Disconnector 10a, 10b are closed. In this way, the AC controller is then switched on and serves to optimize the energy input. Conversely, the AC power 8 must with a reduction in the energy input through the arc, with a reduction in the secondary voltage and with increasing electrode current, that is, in principle, when the current threshold value is exceeded by the electrode current, again in time to be taken out of the electrical circuit.
  • the current threshold 300 for opening the bypass switch 9 is identical to the current threshold for closing the bypass switch. However, different current threshold values, for example combined in a hysteresis, are also conceivable for the two processes.
  • FIG. 4 shows, analogously to FIG. 2, an example of the dimensioning of the electronic circuit according to the invention for introducing energy into an electric furnace with 6 electrodes for a FeNi process with 129 MVA.
  • the characteristic curve 300 here also characterizes the maximum current through the alternating current controller 8 and thus the current threshold value for switching over the bypass isolating switch 9.
  • the alternating current controller 8 is closed at electrode currents above this threshold value, whereby the alternating current controller is then electrically relieved.
  • This has the advantage that the AC power controller 8 overall and in particular its power semiconductor can be dimensioned considerably smaller, whereby a simple and inexpensive solution is possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltkreis und ein Verfahren zum Einspeisen von Energie in mindestens eine Elektrode eines Wechselstrom-Elektroofens, insbesondere zum Schmelzen von Metall. Bekannte Schaltkreise dieser Art umfassen typischerweise eine Reihenschaltung bestehend aus einem Transformator zum Bereitstellen einer Speisespannung für den Elektroofen aus einem Stromnetz (1) und einem zwischen dem Transformator (6) und die Elektrode (11) geschalteten Wechselstromsteller (8) zum Regeln des Stromes durch die Elektrode (11). Erfindungsgemäss wird eine konstruktiv einfache und preisgünstige Weiterbildung für derartige elektronische Schaltkreise vorgeschlagen, welche eine Überlastung des Wechselstromstellers (8) auch bei Betriebsarten des Elektroofens mit hohen Elektrodenströmen verhindert. Diese Weiterbildung sieht vor, dass der Wechselstromsteller durch einen Überbrückungs-Trennschalter (9) überbrückt wird, welcher mithilfe einer Steuereinrichtung nach Massgabe durch den Betrag des durch die Elektrode (11) fliessenden Stromes geöffnet oder geschlossen wird.

Description

Elektronischer Schaltkreis und Verfahren zum Einspeisen von elektrischer E- nergie in einen Wechselstrom-Elektroofen
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltkreis und ein Verfahren zum Speisen von mindestens einer Elektrode eines Wechselstrom-Elektroofens, insbesondere zum Schmelzen von Metall mit Energie.
Die Erfindung ist anwendbar bei Elektroofen zur Produktion von Nichteisenmetallen, Eisenlegierungen, Prozessschlacken, Stahl sowie zur Schlackenreinigung. Die Elektroofen können ausgebildet sein als Elektro-Reduktionsöfen, als Elektro-Niederschachtöfen oder als Lichtbogenöfen.
Ein derartiger elektronischer Schaltkreis zum Speisen eines Wechselstrom- Elektroofens ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 2 034 874 bekannt. Der dort offenbarte elektronische Schaltkreis ist zwischen ein Stromnetz und die mindestens eine Elektrode des Elektroofens geschaltet. Er umfasst eine Reihenschaltung bestehend aus einem Ein-/Aus-Schalter für den Elektroofen, einem Transformator zum Bereitstellen einer Speisespannung für den Elektroofen aus dem Stromnetz und einem zwischen den Transformator und die Elektrode geschalteten Wechselstromsteller zum Regeln des Stromes durch die Elektro- de.
Ein Wechselstromsteller besteht typischerweise aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren und realisiert die Stromregelung in Form einer Phasenanschnittssteuerung. Dabei sind die Thyristoren, welche den Leistungsteil des Stromstellers realisieren, typischerweise auf den gesamten Arbeitsbereich des Elektroofens, das heißt einen sehr großen Strombereich, ausgelegt. Speziell bei leistungsstarken Öfen, welche mit großen Speisespannungen betrieben werden, sind aufgrund der hohen Thyristor-Sperrspannungen in der Regel sehr teure Baureihen von Thyristoren erforderlich. Thyristoren mit großen Sperrspannungen können jedoch in der Regel keine großen Ströme schalten; zum Schalten großer Ströme, wie sie bei bestimmten Betriebszuständen, insbeson- dere bei einem Widerstandsbetrieb, des Elektroofens durchaus auftreten können, müssen deshalb viele einzelne Thyristoren oder ganze Wechselstromsteller parallel geschaltet werden. Nur so lassen sich dann die bei zumindest einzelnen Betriebszuständen erforderlichen hohen Elektrodenströme führen. Um einen zuverlässigen Betrieb des Elektroofens in allen Betriebszuständen, ins- besondere auch bei hohen Elektrodenströmen zu gewährleisten, sind deshalb traditionell teure und aufwändige Stromrichterschaltungen erforderlich.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen bekannten elektronischen Schaltkreis und ein Verfahren zum Einspeisen von elektrischer Energie in einen Wechselstrom-Elektroofen konstruktiv einfach und preiswert dahingehend weiterzubilden, dass ein Betrieb des Elektroofens in allen Betriebszuständen, insbesondere auch bei hohen Elektrodenströmen, problemlos möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demnach zeichnet sich ein erfindungsgemäßer elektronischer Schaltkreis zum Speisen eines Wechselstrom-Elektroofens aus durch eine Strommesseinrichtung zum Messen des Betrages des durch die Elektrode fließenden Stromes, einen Überbrückungs-Trennschalter, welcher parallel zu dem Wechsel- stromsteiler geschaltet ist, und eine Steuereinrichtung zum Öffnen oder Schließen des Überbrückungs-Trennschalters nach Maßgabe durch den Betrag des durch die Elektrode fließenden Stromes.
Die genannten kennzeichnenden Merkmale sind sehr einfach und damit preis- günstig zu realisieren. In ihrer beanspruchten Konfiguration ermöglichen sie vorteilhafterweise ein Überbrücken des Wechselstromstellers bei drohender Überlast, das heißt während Betriebszuständen des Elektroofens, welche einen besonders großen Elektrodenstrom erfordern. Vorteilhafterweise erfordern diese Betriebszustände, wie zum Beispiel ein Widerstandsbetrieb mit eingetauchten Elektroden und ohne Lichtbogenanteil, keine spezielle Regelung des Elektrodenstromes durch den Wechselstromsteller; seine Funktion ist dann entbehr- lieh und wird dann, wie beansprucht, überbrückt. Bei anderen Betriebszuständen des Elektroofens, zum Beispiel während eines Widerstandsbetriebs mit einem Lichtbogenanteil, wird der Überbrückungs-Trennschalter erfindungsgemäß geöffnet, mit der Folge, dass der Elektrodenstrom dann über den Wechselstromsteller geführt wird und durch diesen geregelt werden kann. Typischer- weise ist der Betrag des Stromes durch die Elektrode während eines Betriebs mit Lichtbogen geringer als während eines Widerstandsbetriebs ohne Lichtbogen.
Aufgrund der durch den erfindungsgemäßen Überbrückungs-Trennschalter rea- lisierten Begrenzung des Stromes durch den Wechselstromsteller kann dieser vorteilhafterweise wesentlich kleiner dimensioniert und einfacher und preiswerter hergestellt werden, ohne dass damit eine Einschränkung für den Betrieb des Elektroofens verbunden wäre.
Das Vorsehen von zusätzlichen Trennschaltern unmittelbar vor und hinter dem Wechselstromsteller, aber noch zwischen den Anschlüssen des Überbrü- ckungs-Trennschalters, bietet den Vorteil, dass bei geschlossenem Überbrückungs-Trennschalter, das heißt wenn der Wechselstromsteller überbrückt wird, dieser zum Beispiel zu Wartungszwecken aus dem elektronischen Schaltkreis entnommen werden kann, ohne dass der Elektrodenstrom und damit der Betrieb des Elektroofens unterbrochen werden müsste.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen des Überbrückungs-Trennschalters wird der elektronische Schaltkreis an unterschiedliche Betriebszustände des Elektroofens, wie sie sich aufgrund metallurgischer Anforderungen ergeben, sehr einfach und preisgünstig angepasst. Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein beanspruchtes Verfahren zum Einspeisen von elektrischer Energie in einen Wechselstrom-Elektroofen beziehungsweise in dessen Elektrode gelöst. Die Vorteile dieses Verfahrens entsprechen den oben mit Bezug auf den beanspruchten elektronischen Schaltkreis genannten Vorteilen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen von sowohl dem elektronischen Schaltkreis wie auch dem Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Beschreibung sind insgesamt 4 Figuren beigefügt, wobei
Figur 1 den erfindungsgemäßen elektronischen Schaltkreis;
Figur 2 ein typisches Spannungs-Strom-Leistungsdiagramm U-I-P- Diagramm für einen Elektroreduktionsofen;
Figur 3 einen Querschnitt durch die Elektrode und Schmelze in einem Elektroofen sowie ein zugehöriges elektrisches Ersatzschaltbild für diesen Abschnitt des Elektrodenstromes; und
Figur 4 das Diagramm nach Figur 2 mit zusätzlich eingezeichneten unterschiedlichen Betriebsbereichen des Elektroofens und eingezeichnetem Stromschwellenwert
zeigt.
Die Erfindung wird nachfolgend in Form von Ausführungsbeispielen detailliert unter Bezugnahme auf die genannten Figuren beschrieben.
Typischerweise werden zum Schmelzen von Stahl Elektroofen mit drei oder sechs Elektroden verwendet. Bei Öfen mit sechs Elektroden werden die Elekt- roden 11 zur Energieeinbringung in das Ofengefäß 12 jeweils paarig verschaltet. Bei Elektroofen mit 3 Elektroden 11 werden die Elektroden üblicherweise in Knappsackschaltung angeschlossen, um die Reaktanz der Hochstromleitung zu reduzieren. Alternativ zu der Knappsackschaltung ist jedoch auch eine Sternschaltung der Elektroden möglich.
Figur 1 zeigt den erfindungsgemäßen elektronischen Schaltkreis zum Einspeisen von elektrischer Energie in einen Elektroofen. Figur 1 zeigt eine einphasige Darstellung; entsprechende Schaltkreise könnten für weitere Phasen vorgesehen sein.
Die Energieversorgung für den Elektroofen erfolgt üblicherweise aus einem Mittelspannungsnetz 1. Zwischen dem Mittelspannungsnetz und der Elektrode 11 umfasst der elektronische Schaltkreis einen Ofentransformator 6, welcher mit seiner Primärseite dem Mittelspannungsnetz 1 , nachfolgend auch Stromnetz genannt, und mit seiner Sekundärseite der Elektrode 11 zugewandt ist. Zwischen dem Stromnetz 1 und der Primärseite des Ofentransformators 6 umfasst der elektronische Schaltkreis eine erste Reihenschaltung umfassend eine Spannungsmesseinrichtung 2, einen Ofenleistungsschalter 3 zum Ein- oder Abschalten des Elektroofens, eine Strommesseinrichtung 4, optional einen Stem-/Dreieck-Schalter zum wahlweisen Schalten der Primärwicklung des O- fentransformators in eine Stern- oder Dreieckschaltung sowie einen Überspannungsschutz 13. Der Steπv/Dreieck-Schalter ermöglicht eine Verschiebung des Bemessungsspannungsbereiches des Ofentransformators 6 um zum Beispiel den Faktor 1 ,73 nach oben oder nach unten.
Zwischen der Sekundärseite des Ofentransformators 6 und der Elektrode 11 weist der elektronische Schaltkreis im wesentlichen eine zweite Reihenschaltung auf bestehend aus einem ersten Trennschalter 10a, einem Wechselstromsteller 8 und einem zweiten Trennschalter 10b. Die Trennschalter 10a und 10b ermöglichen bei geschlossenem Hochstrom-Trennschalter 9 eine elektrische Trennung bzw. einen Ausbau des Wechselstromstellers 8, zum Beispiel für Wartungsarbeiten, ohne dass der Ofenbetrieb, insbesondere der Widerstandsbetrieb mit eingetauchten Elektroden und ohne Lichtbogenanteil dafür unterbrochen werden müsste. Der Wechselstromsteller 8 ermöglicht eine Regelung des Elektrodenstroms in Form einer Phasenanschnittssteuerung.
Erfindungsgemäß wurde der elektronische Schaltkreis ergänzt durch einen parallel zu dem Wechselstromsteller 8 und optional auch parallel zu dem ersten und zweiten Trennschalter 10a und 10b geschalteten Überbrückungs- Trennschalter 9, welcher von einer Steuereinrichtung 14 angesteuert wird. Diese steuert den Überbrückungs-Trennschalter 9 nach Maßgabe durch den von der Strommesseinrichtung 4 gemessenen Betrag des durch die Elektrode 11 fließenden Stromes. Die Steuerungseinrichtung 14 kann in Form einer speicherprogrammierten Steuerung, eines Prozessleitsystems oder eines anderen computergestützten Systems realisiert sein.
Nach dem Aufbau des elektronischen Schaltkreises wird nun die Funktionsweise des Elektroofens im Zusammenwirken mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltkreis näher beschrieben.
Figur 2 zeigt ein typisches Spannungs-Strom-Leistungsdiagramm U-I-P- Diagramm für einen Elektroreduktionsofen mit 6 Elektroden. In diesem Diagramm sind Wirkleistungslinien 100 in Abhängigkeit des Sekundärstroms, aufgetragen auf der Ordinatenachse, und der Sekundärspannungen, aufgetragen auf der Abszissenachse, dargestellt. Die Kennlinienschar 200 kennzeichnet den Ofenwiderstand. Die Kurzschlussimpedanz des Elektroofens ist hierbei durch die Kennlinie 300 symbolisiert. Diese Kennlinien in dem Diagramm sind nur für einen konstanten Thyristorzündwinkel gültig. Bei einem größeren oder kleineren Zündwinke! verschieben sich die Kennlinien über die Abszisse.
Die Kennlinien 4a und 4b zeigen den maximal zulässigen Strom durch die E- lektrode in Abhängigkeit der Sekundärspannung bei primärseitiger Sternschaltung der Transformatorwicklungen 4a und bei primärseitiger Dreiecksschaltung der Transformatoren der Transformatorwicklungen 4b. Kennlinie 500 veranschaulicht den maximalen Bemessungsstrom des erfindungsgemäßen Wechselstromrichters 8, das heißt den Stromschwellenwert.
Typischerweise können bei einem Elektroofen je nach Prozess, Einsatzstoffen und Produkten im Wesentlichen folgende metallurgische Betriebszustände unterschieden werden:
a) Widerstandsbetrieb mit eingetauchten Elektroden und ohne Lichtbogenanteil; b) Widerstandbetrieb mit nur geringem Lichtbogenanteil; und c) Betrieb mit hohem Lichtbogenanteil.
Diese drei Betriebszustände werden nachfolgend näher erläutert:
Widerstandsbetrieb mit eingetauchten Elektroden und ohne Lichtbogenanteil.
Die für den Prozess erforderliche Energie wird über eine Widerstandserwärmung der Schlacke erzeugt. Die Elektroden 11 sind deutlich in die Schlacke eingetaucht, die Eintauchtiefe ist unter anderem abhängig von dem Elektrodendurchmesser; sie liegt jedoch in der Regel über ca. 200 mm. In dieser Betriebs- art wird elektrischer Strom durch die Schlacke geleitet, wodurch elektrische E- nergie aufgrund des elektrischen Widerstandes der Schlacke in Joule'sche Wärme umgewandelt wird, welche eine metallurgische endotherme Reaktion, zum Beispiel Reduktion und Schmelzen, vorantreibt. Der Widerstandsbetrieb mit eingetauchten Elektroden und ohne Lichtbogenanteil ist charakterisiert durch hohe Elektrodenströme und relativ niedrige Sekundärspannungen, die deutlich unterhalb von 1000 V liegen.
Bei dieser Betriebsart besteht aufgrund der eingetauchten Elektroden keine besondere Anforderung an die Regelung. Der Elektroofen kann deshalb dann auch konventionell, das heißt ohne Stromregelung betrieben werden. Deshalb empfiehlt es sich während dieses Betriebs den Überbrückungs-Trennschalter 9 zu schließen und so den Wechselstromsteller 8 zu überbrücken. Auf diese Weise werden die Leistungshalbleiter, typischerweise Thyristoren, in dem Wechselstromsteller 8 vor zu großen Strömen geschützt.
Widerstandbetrieb mit nur geringem Lichtbogenanteil
Der Hauptanteil der für diesen Betrieb des Elektroofens erforderlichen Energie wird über eine Widerstandserwärmung der Schlacke erzeugt. Dabei wird elektrischer Strom durch die Schlacke geleitet, wodurch die elektrische Energie durch den Widerstand der Schlacke in Joule'sche Wärme umgewandelt wird. Die Joule'sche Wärme treibt dabei eine metallurgische endotherme Reaktion, zum Beispiel Reduktion und Schmelzen, voran. Ein zusätzlicher kleinerer Energieeintrag kann durch einen im unteren Bereich der Elektroden oder unter ihnen auftretenden Lichtbogen bewirkt werden. Dies gelingt bei nur minimal eingetauchten Elektroden oder bei einer Elektrodenposition unmittelbar über dem Schlackenbad. Für diese Betriebsweise sind üblicherweise relativ große Stromstärken und vergleichsweise niedrige Spannungen erforderlich; siehe Figur 4, Bereich b). Allerdings sind die Spannungen bei dieser Betriebsart deutlich höher als bei eingetauchten Elektroden. Konkret liegen die Sekundärspannungen typischerweise in einem Bereich um die 1000 V bei Öfen von rund 30 - 50 MW- Leistung.
Widerstandbetrieb mit hohem Lichtbogenanteil
Bei dieser Betriebsart erfolgt ein größerer Anteil des Energieeintrags durch Lichtbögen. Die Lichtbögen übertragen ihre Strahlungswärme direkt auf die Möller- und Schlackenschicht des Ofens. Dabei unterscheidet man grundsätzlich zwischen einer Fahrweise mit offenem Lichtbogen und einer Fahrweise mit abgedecktem Lichtbogen.
Bei der Fahrweise mit offenem Lichtbogen trifft der Lichtbogen ohne Nutzung der Seiten-Wärmestrahlung auf den Möller Mö bzw. die Schlacke S; siehe Fi- gur 3, wobei N den Bereich des nicht abgedeckten Lichtbogens repräsentiert. In Figur 3 ist auch ein elektrisches Ersatzschaltbild für den elektrischen Pfad durch die Elektrode 11 , den Lichtbogen L, die Schlacke S und das geschmolzene Metall 15 aufgezeigt. Bei idealisierender Betrachtung kann der ohmsche Widerstand der Elektrode 11 und des geschmolzenen Metalls 15 zu Null angenom- men werden. Es verbleiben dann für den Elektrodenstrom ein ohmscher Widerstand RL aufgrund des Lichtbogens L und ein ohmscher Widerstand Rs durch die Schlacke S.
Bei der Fahrweise mit abgedecktem Lichtbogen wird der Randbereich der E- lektrode 11 durch Möller Mö teilweise abgedeckt; siehe in Figur 3 den rechten Rand der Elektrode. Neben der Lichtbogenenergie wird ein etwa gleicher oder kleinerer Anteil der eingebrachten Energie über die Widerstandserwärmung in den Elektroden eingetragen. Für die beschriebene Betriebsart mit hohem Lichtbogenanteil sind üblicherweise niedrige Ströme bei hohen Spannungen not- wendig; siehe Figur 4 Bereich c).
Die Spannungen liegen dabei bei Öfen mit Leistungen oberhalb 30-50-MW üblicherweise oberhalb von 1000 V. Es bestehen hohe Anforderungen an die Elekt- rodenstromregelung aufgrund des nichtlinearen und stochastischen Verhaltens der Lichtbögen mit der Neigung zur Instabilität. Bei der Betriebsart c) wird der gesamte benötigte Elektrodenstrom über den Wechselstromsteller 8 geführt und geregelt. Der Hochstrom-Trennschalter 9 wird hierbei geöffnet.
Der Übergang zwischen der Betriebsart b) und c) ist fließend. Grundsätzlich gilt, dass erst bei zunehmender Leistungserhöhung durch Erhöhung der Sekundärspannung des Transformators 6, bei zunehmendem Anteil des Lichtbogens L am Energieeintrag, siehe Figur 3, und bei Unterschreiten des Stromschwellenwertes 300 für den Elektrodenstrom der Überbrückungs-Trennschalter 9 geöffnet wird und der erste und zweite Trennschalter 10a, 10b geschlossen werden. Auf diese Weise wird der Wechselstromsteller dann zugeschaltet und dient zur Optimierung des Energieeintrags. Umgekehrt muss der Wechselstromsteller 8 bei einer Absenkung des Energieeintrags durch den Lichtbogen, bei einer Absenkung der Sekundärspannung und bei zunehmendem Elektrodenstrom, das heißt grundsätzlich bei einem Überschreiten des Stromschwellenwertes durch den Elektrodenstrom, wieder rechtzeitig aus dem elektrischen Kreis herausgenommen werden. Grundsätzlich ist der Stromschwellenwert 300 zum Öffnen des Überbrückungs-Trennschalters 9 identisch mit dem Stromschwellenwert zum Schließen des Überbrückungs-Trennschalters. Allerdings sind für die beiden Vorgänge auch unterschiedliche Stromschwellenwerte, zum Beispiel kombiniert in einer Hysterese, denkbar.
Figur 4 zeigt analog zu Figur 2 ein Beispiel für die Dimensionierung des erfin- dungsgemäßen elektronischen Schaltkreises zur Energieeinbringung in einen Elektroofen mit 6 Elektroden für einen FeNi-Prozess mit 129 MVA. Genau wie in Figur 2 kennzeichnet auch hier die Kennlinie 300 den maximalen Strom durch den Wechselstromsteller 8 und damit den Stromschwellenwert für die Umschaltung des Überbrückungs-Trennschalters 9. Der Wechselstromsteller 8 wird bei Elektrodenströmen oberhalb dieses Schwellenwertes geschlossen, wodurch der Wechselstromsteller dann elektrisch entlastet wird. Dies hat den Vorteil, dass der Wechselstromsteller 8 insgesamt und insbesondere dessen Leistungshalbleiter erheblich kleiner dimensioniert werden können, wodurch eine einfache und preiswerte Lösung möglich wird.
Auch wenn die Elektroofen, insbesondere Elektro-Reduktionsöfen für die Betriebsarten b) und c) ausgelegt sind, so können sie jedoch im Bereich eines Anfahrbetriebs und eines Teillastbetriebs mit geschlossenem Überbrückungs- Trennschalter 9, das heißt mit überbrücktem Wechselstromsteller 8 betrieben werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronischer Schaltkreis zum Einspeisen von elektrischer Energie in mindestens eine Elektrode (11 ) eines Wechselstrom-Elektroofens, insbesondere zum Schmelzen von Metall, umfassend in Reihe geschaltet: einen Transformator (6) zum Bereitstellen einer Speisespannung für den Elektroofen aus einem Stromnetz (1); und einen zwischen den Transformator (6) und die Elektrode (11 ) geschalteten
Wechselstromsteller (8) zum Regeln des Stromes durch die Elektrode (11 ); gekennzeichnet durch eine Strommesseinrichtung (4) zum Messen des Betrags des durch die Elektrode fließenden Stromes; einen Überbrückungs-Trennschalter (9), welcher parallel zu dem Wechselstromsteller (8) geschaltet ist; und eine Steuereinrichtung (14) zum Öffnen oder Schließen des Überbrü- ckungs-Trennschalters (9) nach Maßgabe durch den Betrag des durch die Elektrode (11 ) fließenden Stromes.
2. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Transformator (6) und den Wechselstromsteller (8) ein erster (10a) und zwischen den Wechselstromsteller (8) und die Elektrode
(11 ) ein zweiter Trennschalter (10b) geschaltet ist.
3. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überbrückungs-Trennschalter (9) so geschaltet ist, dass er die
Reihenschaltung aus dem erstem Trennschalter (10a), dem Wechselstromsteller (8) und dem zweiten Trennschalter (10b) überbrückt.
4. Verfahren zum Einspeisen von elektrischer Energie in mindestens eine Elektrode (11 ) eines Wechselstrom-Elektroofens, insbesondere zum
Schmelzen von Metall, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Speisespannung für den Elektroofen aus einem Stromnetz (1 ); und
Regeln des Stromes durch die Elektrode (11 ) mit Hilfe eines Wechsel- Stromstellers (8); gekennzeichnet durch
Messen des Betrags des durch die Elektrode fließenden Stromes; und Überbrücken des Wechselstromstellers durch eine Kurzschlussverbindung nach Maßgabe des Betrages des gemessenen Stromes.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromsteller (8) dann überbrückt wird, wenn der Betrag des Stromes durch die Elektrode (11 ) einen vorgegebenen Stromschwel- lenwert überschreitet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroofen in einem Anfahrbetrieb, einem Warmhaltebetrieb o- der einem Widerstandsbetrieb ohne Lichtbogenanteil betrieben wird, wenn der Betrag des Stromes oberhalb des vorgegebenen Stromschwellenwertes liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroofen in einem Widerstandsbetrieb mit einem Lichtbogenanteil betrieben wird, wenn der Betrag des Stromes unterhalb des vorgegebenen Stromschwellenwertes liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromsteller (8), wenn er überbrückt ist, während des Betriebs des Elektroofens, z.B. zu Wartungszwecken, aus einem elektronischen Schaltkreis zur Speisung der Elektrode ausgebaut werden kann.
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