JP2007317651A - アーク炉電力供給デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 安定で且つ一様なアークが保証されることが可能なアーク炉電力供給デバイスを提供する。
【解決手段】 整流器（１）を備えたアーク炉電力供給デバイスが規定される。この整流器（１）は、その交流電圧サイドで、交流電圧供給ネットワーク（２）に接続されることが可能であり、その直流電圧サイドで直流電圧回路（３）に接続される。更に、上記アーク炉電力供給デバイスは、インバータ（４）を有し、そのインバータは、その直流電圧サイドで、直流電圧回路（３）に接続され、その交流電圧サイドで、少なくとも一つのアーク電極（５）に接続される。アークの安定で且つ一様な発生の改善のため、上記インバータ（４）は、矩形交流電圧をアーク電極（５）に与えるインバータとしてデザインされる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、アーク炉の分野に係る。この発明は、独立請求項の前提部分に基づくアーク炉電力供給デバイスから生ずる。

今日、アーク炉は、主として、金属、特に、鋼またはアルミニウムの加熱及び溶融のために使用されている。この目的のため、そのようなアーク炉は、加熱および／または溶融される材料を収容する坩堝を有している。そのようなアーク炉は、典型的には、加熱および／または溶融のためのアーク炉電力供給デバイスによりエネルギーが供給される。

適切なアーク炉電力供給デバイスが、欧州特許第 EP 1 174 004 B1 号明細書に規定されている。この中において、アーク炉電力供給デバイスは整流器を有しており、その整流器は、その交流電圧サイドで、交流電圧供給ネットワークに接続されることが可能である。直流電圧サイドで、その整流器は、直流電圧回路に接続される。更に、アーク炉電力供給デバイスはインバータを有していて、そのインバータは、その直流電圧サイドで、直流電圧回路に接続され、その交流電圧サイドで、少なくとも一つのアーク電極に接続されている。EP 1 174 004 B1 のインバータは、更に、正弦波交流電圧をアーク電極に与えるインバータとしてデザインされている。

上述のアーク炉電力供給デバイスにおいて問題になることは、インバータにより正弦波交流電圧をアーク電極に与える結果として、アーク電極に生ずるアークが、不安定になる場合があることであり、その結果として、アークが、望まれているような状態では、もはや一様に発生しないことである。しかしながら、この理由で、加熱対象の材料の適切で且つ一様な加熱、および／または、溶融対象の材料の適切で且つ一様な溶融が、もはや保証されない。
欧州特許第 EP 1 174 004 B1 号明細書

それ故に、本発明の目的は、安定で且つ一様なアークが保証されることが可能なアーク炉電力供給デバイスを提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴により実現される。本発明の好ましい更なる展開は、従属請求項に規定されている。

本発明に基づくアーク炉電力供給デバイスは整流器を有し、その整流器は、その交流電圧サイドで、交流電圧供給ネットワークに接続されることが可能である。前記整流器は、その直流電圧サイドで、直流電圧回路に接続される。更に、前記アーク炉電力供給デバイスはインバータを有し、このインバータは、その直流電圧サイドで、直流電圧回路に接続され、その交流電圧サイドで、少なくとも一つのアーク電極に接続される。

本発明によれば、上記インバータは、矩形交流電圧をアーク電極に与えるインバータとしてデザインされる。上記インバータによりアーク電極に与えられる矩形交流電圧の結果として、アーク電極電流がゼロを通過するときに、アーク抵抗が大幅に減少し、そして、アーク電極電流がゼロを通過するときに、電流勾配ｄｉ／ｄｔが増大する。それによって、好ましくも、アークが安定化されることが可能であり、この理由のために、より一様に発生する。

本発明の、これらの及び更なる目的、利点及び特徴は、本発明の実施形態の好ましい例の以下の詳細な説明及び図面から、明らかである。

図面の中で使用されている参照符号及びそれらの意味は、参照符号のリストの中に、まとめて挙げられている。原則として、図面の中で、同じ部分には同じ参照符号が付されている。実施形態の上記の形態は、発明の対象を例示的に示すものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

図１の中に、本発明に基づくアーク炉電力供給デバイスの実施形態の第一の形態が示されている。この中において、このアーク炉電力供給デバイスは、整流器１を有し、この整流器は、その交流電圧サイドで、交流電圧供給ネットワーク２に接続されることが可能である。その接続は、電源スイッチ（図面を明瞭にするために示されていない）を介して直接に、および／または、一つまたは複数の変圧器を介して、適切な電圧水準に、つなげられることが可能である。図１によれば、直流電圧サイドで、整流器１は、直流電圧回路３に接続される。直流電圧回路３は、図１の中に例示的に示されているように、一つまたは複数の容量性のエネルギー貯蔵要素により形成されることが可能である。

更に、アーク炉電力供給デバイスは、インバータ４を有しており、このインバータ４は、その直流電圧サイドで、直流電圧回路３に接続され、その交流電圧サイドで、少なくとも一つのアーク電極５に接続される。ここで、図１の中に例示的に示されているように、インバータ４に接続された三つのアーク電極が設けられている。

本発明によれば、インバータ４は、矩形交流電圧をアーク電極に与えるインバータとしてデザインされる。インバータは、かくして、それが矩形交流電圧を生成し、次いで、その矩形交流電圧がアーク電極５に与えられるようにデザインされる。アーク電極５にインバータ４により与えられる矩形交流電圧の結果として、アーク電極電流がゼロを通過するときのアーク抵抗が大幅に減少し、そして、アーク電極電流がゼロを通過するときの電流勾配ｄｉ／ｄｔが増大する。それによって、好ましくも、アークが安定化されることが可能になり、この理由のために、より一様に発生することになる。

矩形交流電圧の周波数は、好ましくは、交流電圧供給ネットワーク２の中の交流電圧の周波数に、実質的に対応し、それによって、特に安定で且つ一様なアークの発生が、実現されることが可能になる。

図１によれば、各アーク電極５のためのインバータ４は、それぞれのインバータ・ブランチ・ペア６を有し、ここで、各インバータ・ブランチ・ペア６は、直列に接続された二つの制御可能な双方向性の電力半導体スイッチＳ１,Ｓ２を有し、そして、問題のアーク電極５は、直列に接続された二つの制御可能な双方向性の電力半導体スイッチＳ１,Ｓ２の間の接続点に接続される。複数のアーク電極５の場合には、それぞれのインバータ・ブランチ・ペアは、並列に接続される。更に、各インバータ・ブランチ・ペア６は、直流電圧回路３に並列に接続される。

制御可能な双方向性の電力半導体スイッチＳ１,Ｓ２のそれぞれは、特に、ゲート・ターンオフ・サイリスタ、または絶縁ゲートサイリスタ（ＩＧＢＴ）を有するバイポーラ・サイリスタ、または整流コントロール・ダイオードを有する集積サイリスタ（ＩＧＣＴ:integrated thyristor with a commutated control diode）、またはゲート・ターンオフ・サイリスタに逆並列に接続されたダイオード、またはバイポーラ・サイリスタ、または整流コントロール・ダイオードを有するサイリスタによって形成される。しかしながら、例えば、先に述べた制御可能な双方向性の電力半導体スイッチＳ１,Ｓ２を、逆並列に接続された更なるダイオードを有するパワーＭＯＳＦＥＴとして、具現化することも考えられる。

問題のインバータ・ブランチ・ペア６によって、好ましくも、矩形交流電圧を、それぞれのアーク電極５で、強度及び相に関して調整することが可能になり、そしてそれ故に、アークの安定で且つ一様な発生に、適切に効果を生ずることが可能になる。更に、図４の中に例示的に示されているところによれば、本発明に基づくアーク炉電力供給デバイスの第四の実施形態おいて、インバータ４に接続された六つのアーク電極５が設けられ、それによって、六つのインバータ・ブランチ・ペア６が存在することになる。

図１及び図４によれば、交流電圧供給ネットワーク２の整流器１は、各相Ｒ，Ｓ，Ｔに対して、直列回路を有していて、それらは、二つの制御可能な一方向性の電力半導体スイッチＳ３，Ｓ４から構成されている。問題の直列回路は、ここでは、並列に接続され、且つ直流電圧回路３に並列に接続されている。制御可能な一方向性の電力半導体スイッチＳ３，Ｓ４のそれぞれは、特に、ゲート・ターンオフ・サイリスタ、または絶縁ゲートサイリスタ（ＩＧＢＴ）を有するバイポーラ・サイリスタ、または整流コントロール・ダイオードを有する集積サイリスタ（ＩＧＣＴ）により形成される。しかしながら、例えば、先に述べた制御可能な一方向性の電力半導体スイッチＳ３，Ｓ４を、パワーＭＯＳＦＥＴとしてデザインすることも考えられる。

図２の中に、本発明に基づくアーク炉電力供給デバイスの実施形態の第二の形態が示されている。図１による実施形態の第一の形態とは異なり、整流器１は、交流電圧供給ネットワーク２の各相Ｒ，Ｓ，Ｔに対して直列回路を有していて、それらは、二つの制御可能な双方向性の電力半導体スイッチＳ５，Ｓ６から構成されている。制御可能な双方向性の電力半導体スイッチＳ５，Ｓ６のそれぞれは、特に、ゲート・ターンオフ・サイリスタ、または絶縁ゲートサイリスタ（ＩＧＢＴ）を有するバイポーラ・サイリスタ、または整流コントロール・ダイオードを有する集積サイリスタ（ＩＧＣＴ）、またはゲート・ターンオフ・サイリスタに逆並列に接続されたダイオード、または整流コントロール・ダイオードを有するサイリスタにより形成される。しかしながら、例えば、先に述べた制御可能な双方向性の電力半導体スイッチＳ５，Ｓ６を、逆並列に接続された更なるダイオードを有するパワーＭＯＳＦＥＴとして具現化することも考えられる。

先に述べた制御可能な双方向性の電力半導体スイッチＳ５，Ｓ６により、そのような方法で実現された整流器１は、好ましくも、交流電圧サイド及び直流電圧サイドに、交流電圧供給ネットワーク２の交流電圧に対して、非常に小さい高調波を発生させるのみであり、それによって、直流電流回路３の電圧もまた、広い範囲に渡って調整することが可能になる。

図１及び図２による実施形態の一つの代替形態として、本発明に基づくアーク炉電力供給デバイスの、図３による実施形態の第三の形態において、整流器１は直列回路を有し、その直列回路は、交流電圧供給ネットワーク２の各相Ｒ，Ｓ，Ｔに対して、二つの受動的な制御できない一方向性の電力半導体スイッチＳ７，Ｓ８を有している。受動的な制御できない一方向性の電力半導体スイッチＳ７，Ｓ８のそれぞれは、特にダイオードにより形成される。

図３により実現される整流器１は、極めて頑丈な解決策を表している。その理由は、電力半導体スイッチＳ７，Ｓ８に関して、いかなる種類の制御または調整のタスクも存在しないからである。もし、直流電圧電流３の中の電圧及び電流を、調整可能にするのであれば、そのときには選択的に図３により、整流器１の調整ユニット７が、直流電圧回路３の中の電流及び電圧の調整のために、更に設けられる。それが、図３の中に例示的に示されている。もし、そのような調整ユニット７が設けられていない場合には、二つの受動的な制御できない一方向性の電力半導体スイッチＳ７，Ｓ８のそれぞれの直列回路は、並列に接続され、そしてそのときには更に、直流電圧回路３に並列に接続される。

言及すべきことは、アーク電極４に対する好ましい矩形交流電圧もまた、交流電圧供給ネットワーク２に接続されることが可能なマトリクス・インバータによって、実現されることである。

好ましくは、図１から図４により詳細に説明された先のアーク炉電力供給デバイスは、アーク炉で使用される。

図１は、本発明に基づくアーク炉電力供給デバイスの実施形態の第一の形態を示す。 図２は、本発明に基づくアーク炉電力供給デバイスの実施形態の第二の形態を示す。 図３は、本発明に基づくアーク炉電力供給デバイスの実施形態の第三の形態を示す。 図４は、本発明に基づくアーク炉電力供給デバイスの実施形態の第四の形態を示す。

符号の説明

１…整流器、２…供給ネットワーク、３…直流電圧回路、４…インバータ、５…アーク電極、６…インバータ・ブランチ・ペア、７…調整ユニット、Ｓ１，Ｓ２…制御可能な双方向性の電力半導体スイッチ、Ｓ３，Ｓ４…制御可能な一方向性の電力半導体スイッチ、Ｓ５，Ｓ６…制御可能な双方向性の電力半導体スイッチ、Ｓ７，Ｓ８…受動的な制御できない一方向性の電力半導体スイッチ。

Claims (9)

1. 整流器（１）及びインバータ（４）有するアーク炉電力供給デバイスであって、
   前記整流器（１）は、その交流電圧サイドで供給ネットワーク（２）に接続されることが可能であり、その直流電圧サイドで直流電圧回路（３）に接続され、
   前記インバータは、その直流電圧サイドで直流電圧回路（３）に接続され、その交流電圧サイドで、少なくとも一つのアーク電極（５）に接続された、
   アーク炉電力供給デバイスにおいて、
   前記インバータ（４）が、矩形交流電圧をアーク電極（５）に与えるインバータとしてデザインされていることを特徴とするアーク炉電力供給デバイス。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載のアーク炉電力供給デバイス：
   前記矩形交流電圧の周波数は、交流電圧供給ネットワーク（２）の中の交流電圧の周波数に実質的に対応している。
3. 下記特徴を有する請求項１または２に記載のアーク炉電力供給デバイス：
   各アーク電極（５）のための前記インバータ（４）は、それぞれのインバータ・ブランチ・ペア（６）を有し、
   各インバータ・ブランチ・ペア（６）は、直列に接続された二つの制御可能な双方向性の電力半導体スイッチ（Ｓ１，Ｓ２）を有し、それぞれのアーク電極（５）は、直列に接続された前記二つの制御可能な双方向性の電力半導体スイッチ（Ｓ１，Ｓ２）の間の接続点に接続されている。
4. 下記特徴を有する請求項３に記載のアーク炉電力供給デバイス：
   複数のアーク電極（５）の場合には、それぞれのインバータ・ブランチ・ペア（６）が並列に接続されている。
5. 下記特徴を有する請求項１から４のいずれか１項に記載のアーク炉電力供給デバイス：
   前記整流器（１）は、交流電圧供給ネットワーク（２）の各相（Ｒ，Ｓ，Ｔ）に対して、二つの制御可能な一方向性の電力半導体スイッチ（Ｓ３，Ｓ４）からなる直列回路を有している。
6. 下記特徴を有する請求項１から４のいずれか１項に記載のアーク炉電力供給デバイス：
   前記整流器（１）は、交流電圧供給ネットワーク（２）の各相（Ｒ，Ｓ，Ｔ）に対して、二つの制御可能な双方向性の電力半導体スイッチ（Ｓ５，Ｓ６）からなる直列回路を有している。
7. 下記特徴を有する請求項１から４のいずれか１項に記載のアーク炉電力供給デバイス：
   前記整流器（１）は、交流電圧供給ネットワーク（２）の各相（Ｒ，Ｓ，Ｔ）に対して、二つの受動的な制御できない一方向性の電力半導体スイッチ（Ｓ７，Ｓ８）からなる直列回路を有している。
8. 下記特徴を有する請求項７に記載のアーク炉電力供給デバイス：
   前記整流器（１）は、直流電圧回路（３）の中の電流及び電圧の調整のための調整ユニット（７）を有している。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のアーク炉電力供給デバイスを有するアーク炉。

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