JP2008511949A - 炉内の複数の電極全体で電力を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
複数の負荷において、または単一の多相負荷においてエネルギー消費を安定化させるための方法およびシステム。該方法およびシステムは多相負荷における不平衡も補償する。中央制御装置は該負荷の可変リアクタンスを監視し、電力および/または電流の変動および/または不平衡の状況を特定する。それは問題のある負荷に起因する電力および/または電流の変化または不平衡を補償するために他の負荷/相による適切な補正処置を決定し、それは該他の負荷に関連付けられた可変リアクトルに相応して調整するように指示する制御信号を発行する。該方法およびシステムは電気アーク炉システムに適用されてもよい。この関連で、該方法およびシステムは新しい供給材料の導入を断定的に予想し、可変リアクトルが所定の電力設定値を維持する間にアークが消えないようにするために電極を引き下げるように供給速度コントローラに結合されている電極位置コントローラを提供する。該電極位置コントローラは補正処置を講じ、電力および/電流の変化または不平衡に対処するために該可変リアクタンス制御システムの代わりに、あるいはそれと連動して使用されてもよい。該可変リアクトルは、該電極位置決めシステムより数桁速く応答する。該システムおよび方法は、システム内での不平衡の所定のレベルを維持するために利用されてもよい。
Description
(関連出願の相互参照)
本願は、参照することにより本明細書に全体的な内容が組み込まれている、2004年9月1日に出願され、「複数の電気負荷のための電力制御システム(Power Control System for Multiple Electrical Loads)」と題される米国仮特許出願、出願番号第60/606,342号の利益を主張する。
本願は、参照することにより本明細書に全体的な内容が組み込まれている、2004年9月1日に出願され、「複数の電気負荷のための電力制御システム(Power Control System for Multiple Electrical Loads)」と題される米国仮特許出願、出願番号第60/606,342号の利益を主張する。
本発明は、概して複数の負荷の電力および/または電流の消費を安定化する、および/または三相負荷の三相電流の平衡を保たせるためのシステムおよび方法に関し、該負荷は同じソースからエネルギーを引き出す。
変動する電力または電流の需要および不平衡に起因することがある非効率性および潜在的な損害を軽減するために電力または電流の不平衡を補償することが望ましい特定の状況がある。例えば、交流(AC)アーク炉(EAF(Electric Arc Furnace))負荷のケースでは、金属、鉱石または他の材料を加熱し、溶し、または精錬するために多くの電極と炉内の材料の間に電気アークが生じる。これらのアークは、経時的に変化する最も抵抗性のある電気抵抗として作用する。アーク抵抗が変動することにより炉によって引き出される電力と電流が関係した抵抗が引き起こされる。アーク抵抗、電力および電流の関係性は図1Aにグラフを使って示されている。
図1Aでは、曲線Aは低い値(短絡)から高い値(アークの損失)までのアーク抵抗の変動を示している。例示的な動作抵抗および電流値は曲線A上の点で記されている。図1Aの曲線Bは、対応するアーク抵抗の変動についてアーク電流とアークにより引き出される電力を示している。例示的な電力および電流の動作基点も曲線B上の点で記されている。アーク抵抗変動に起因する電力または電流の変動は電源システムに影響を及ぼし、周波数と電圧の外乱を引き起こし、電源の動作および同電源に接続されている他の炉負荷にマイナス影響を与える場合がある。例えば、アーク炉の中の突然の大きな、著しい電力の増加は負荷制限リレーまたはジェネレータ不足周波数リレーをトリガして、トリップさせ、アーク炉に対する電力の完全な損失を生じ、生産性の損失からくる多大な経済的損失の可能性をもたらすことがある。さらに、ある一定の周波数での電圧変動で光を明滅させることがある。
AC EAFが三相負荷として三相電源に接続されるときに別の問題も発生する。炉内のアーク抵抗が3つの相の間で必ずしも均等ではないため、電流は相の間で不平衡となる場合がある。その結果として不平衡電流が、例えば同電源に接続されている電気モータ等の他の負荷の動作に影響を及ぼす電圧不平衡を引き起こすことがある。電流不平衡が供給システムジェネレータの不平衡電流の限度を超えると、不平衡は電力系統の中のリレーをトリップさせ、炉への電力の損失を生じさせる場合がある。
旧来、EAF動作は、電力、電流またはインピーダンスの所望の設定値で動作するために電極位置決めシステムによって制御されてきた。電極位置決めシステムは、一般的には移動機械パーツに依存し、通常、速い抵抗変化に適切に応答するための速度と柔軟性を欠いている。
抵抗変動の量を低減させるため、1台以上の直列リアクトルが炉の電源に加えられてもよい。該直列リアクトルは、EAFを強制的に低い力率で動作させるため、さらに安定したアーク発生を可能にする。しかしながら、リアクトル単独では所望のレベルの電力安定性を得るには不十分である場合がある。加えて、リアクトル単独では電流不平衡を減少させる効果的な手段にはならない。これはそれらのリアクタンス値が、アーク抵抗が変化する速度ほど迅速に変化しない場合があるためである。
電気アーク炉設備内での電力変動の影響を和らげるためのいくつかの試みがなされている。例えば、全体的な内容が参照することにより本明細書に組み込まれているマ(Ma)らに対する米国特許番号第6,603,795号は、可変リアクトル制御および電極高さ調節を用いて有効電力の変動を減少させることにより電気アーク炉内での電力消費を安定化するためのシステムを説明している。システムは、電極インピーダンス等の炉の動作特性を監視し、可変リアクタンスに対する対応する調整を行う。回路内のリアクタンスは、リアクトルを回路に結合するサイリスタのセットの発射角度を調整することにより制御されてもよい。
図2はマらによる電気アーク炉の回路10の簡略図を示している。回路10は線間電圧12、アークインピーダンス14、固定回路リアクタンス16、および可変抵抗18を示している。アークインピーダンス14は、アークリアクタンスXarcおよびアーク抵抗Rarcを含む。固定回路リアクタンス16は、電気炉用変圧器およびあらゆる電源ケーブル、導体、および供給システムと電極間のバス作業のリアクタンスを含んでよく、そのリアクタンスはアークインピーダンス14に比較して一定と見なすことができる。
マらに説明されている電力制御システムは、炉の測定された特徴に応じて電気アーク炉の電極および電源線路の応答インピーダンスを変える。システムは、電極アーク炉内の電極によって引き出される電圧と電流を監視し、電極インピーダンスを決定する。電力制御システムは、電極インピーダンスに基づき電力供給によって見られるようなアーク炉の電力消費変動を最小限に抑えるために応答インピーダンスを調整する。それは、可変リアクタンスを調整することによりこれを実行する。この制御システムと関連付けられた応答時間は約1電気サイクルであり、相対的に速い応答を提供する。
Maらは、電極の測定された特性に基づいて電極高さを調整するために電極位置決めシステムを制御する電極位置コントローラについても説明する。例えば、電極位置コントローラは、炉のための電圧および電流の特性を監視することにより電極インピーダンスを監視してよく、電極インピーダンスの変化に起因する電力変動を最小限に抑えるために電極高さを調節してもよい。この制御システムの応答時間は相対的に低速であり、ほぼ数秒である。
マらに対する米国特許第6,603,795号に説明されているシステムは、通常、電力変動を最小限に抑え、単独炉のための所望の設定値を維持することができる。しかしながら、システムはある特定の閾値のもとでのさらに大きな相または電極電力低下を最小限に抑えるための制限された容量を有する。さらに、システムは3つの電気的な相の間の負荷不平衡を最小限に抑えるように設計されていない。
図1Bは、マらに対する米国特許第6,603,795号に説明されているシステムの、ある特定の閾値のもとでさらに大きな相または電極の電力低下を最小限に抑える上での制限を描いている。図1Bの曲線Cは、特定の電力設定値を満たす際の負荷抵抗の変動を補償するために必要とされる可変リアクタンスを示している。曲線Dは可変リアクトルの実際的なサイズの制限を考慮に入れて得られる可変リアクタンスの量を示している。必要とされるリアクタンスおよび所望の動作基点での電流も記されている。曲線Eは、曲線Cの可変リアクタンスが回路に差し込まれるときの対応するアーク抵抗変動について引き出される電流に対比して、アーク炉によって引き出される電力を示している。結果として生じる動作基点電力および電流も記されている。
図1Bに描かれているように、(例えば、アークが1つの電極の下で消されるとき等)電極電流Iが臨界値Icriticalを下回ると、回路10は電力を一定レベルに維持することができなくなり、電力は電力設定値を下回る。臨界値Icriticalは、その最小値まで減少させられる可変リアクタンス18と一致する。また、電流が最大電流値Imaxを超えて上昇する場合に設定値で電力を維持する回路10の能力を制限する最大可変リアクタンス設定値もある。
別の問題は、三相電源に接続されている3電極炉で発生する。このような構成では、電極電流の瞬間値の合計はいつでもゼロでなければならない。したがって、1つの相でのアークインピーダンスまたは可変リアクタンスの変化は、インピーダンスの変化を経験する相の中のみではなく、残りのすべての相においても電流の変化を引き起こす。
いくつかの例では、炉の形状および供給材料分散は極端には対称的ではない。したがって、安定した炉電力であっても炉内での熱分散は一様ではない場合がある。その結果、炉の内部または炉側壁周辺での温度プロファイルは非対称になり、望ましくない相対的に熱いスポットまたは冷たいスポットになることがある。
電気炉内での電力および/または電流を制御するための従前の制御システムおよび方法に関連付けられた短所または不利な点の1つ以上に対処するまたは緩和すること、あるいは少なくともその有用な代替策を提供することが所望されている。
本発明の態様は、概して、多相電気炉または他の負荷を制御する際の電力および/または電流の調整に関する。特定の態様は不平衡を制御する、あるいは炉内の設定値を維持するためのシステムおよび方法に関する。炉の電力および/または電流の需要は、変動するまたは不平衡な負荷電流の電源システムに対する影響を軽減するために補償されてもよい。いくつかの態様に従って、すべての相リアクタンスが1つの動作特性のみの変化に応答して更新される。他の態様は相の間での同等ではない設定値を達成し、それにより一様ではない供給材料または炉の形状の補償を可能にする。
一態様では、本発明は多相電源に結合される多相電気炉を制御するための制御システムに関する。該制御システムは、多相電気炉の各相と多相電源の各々の相の間で結合される可変リアクトルを備える。制御システムは監視手段と制御手段も備える。監視手段は電気炉の各相の動作特性を監視するため、および少なくとも1つの相の動作特性が各々の設定値から逸脱するか否かを判断するために各可変リアクトルに結合されている。制御手段は各可変リアクトルと監視手段に結合され、各可変リアクトルの値を、それが結合される相の設定値に従って設定する。制御手段は、少なくとも1つの相の動作特性が各々の設定値から逸脱するという監視手段による判断に応じてすべての相での動作特性に基づき各々の設定値を達成するために各可変リアクトルの値を設定するように構成される。
他の態様では、本発明は、各相が関連する可変リアクトルを通して多相電源に結合され、設定値を有する、多相電気炉を制御する方法に関する。該方法は、相ごとに動作特性および可変リアクトルの値を監視するステップと、該少なくとも1つの相の動作特性が各々の設定値から逸脱すると判断するステップと、動作特性が、すべての相の動作特性に基づいて設定値から逸脱すると判断されるときに、可変リアクトルの値を調整するステップとを含む。
他の態様では、本発明は、各相が電源に接続されている多相電気炉の不平衡を制御するための制御システムに関する。制御システムは相の各々に関連付けられる可変リアクトルを備え、各可変リアクトルはその関連負荷と電源の間に結合されている。制御システムは可変リアクトルに結合される制御手段も備える。制御手段は、各相の動作特性を監視するための、および多相電気炉のための不平衡値を決定するための不平衡決定部と、所定の不平衡の程度を維持するためにすべての相での動作特性に基づいて可変リアクトルを制御するための、不平衡決定部に対応するリアクタンス調整部とを含む。
他の態様では、本発明は、各相が関連する可変リアクトルを通して電源に結合されている、多相電気炉を制御する方法に関する。該方法は、各相の動作特性を監視するステップと、該多相電気炉負荷の不平衡値を決定するステップと、所定の不平衡の程度を維持するためにすべての相での不平衡値および動作特性に基づいて可変リアクトルを制御するステップとを含む。
他の態様では、本発明は1つ以上の三相負荷の不平衡を制御するための制御システムに関し、該三相負荷は三相電源に結合されている。制御システムは各相と関連付けられた可変リアクトルと、各可変リアクトルと関連付けられる可変リアクタンス制御システムと、各可変リアクタンス制御システムに結合される中央制御システムとを備える。各可変リアクトルは該三相負荷と該電源の関連する相との間で結合される。可変リアクタンス制御システムはその関連する相の動作特性を監視し、設定値を維持するために該動作特性に応じて該各々の可変リアクトルの値を設定する。中央制御システムは検出部とオーバーライド部を含む。検出部は三相負荷のための不平衡値を測定し、可変リアクトルの値が閾値に達したか否かを判断する。オーバーライド部は可変リアクタンス制御システムに制御信号を出力するために検出部に応答する。可変リアクタンス制御システムは、各々可変リアクタンス制御システムが可変リアクトルの調整に応じて、制御信号を受信するためのインタフェースを含む。
他の態様では、本発明は1つ以上の三相負荷の不平衡を制御するための方法に関し、各三相負荷は三相電源に結合されている。各相は関連する可変リアクトルを通して三相負荷に結合され、関連する各可変リアクトルは、該相の動作特性を監視するため、および設定値を維持するために該動作特性に応じて可変リアクトルの値を設定するための対応する可変リアクタンス制御システムに結合される。中央制御システムは可変リアクタンス制御システムに結合されている。該方法は、中央制御システムにおいて、該三相負荷の不平衡値を計算するステップと、該不平衡値が所定の閾値を超えるか否かを判断するステップと、該不平衡値が該閾値を超えている場合に、該中央制御システムから該可変リアクタンス制御システムに制御信号を出力するステップと、該相の少なくとも1つで、該閾値を下回る該不平衡値を低減するために該制御信号に応答して該関連する可変リアクトルを調整するステップとを含む。
別の態様では、本発明は、各相が電源に結合されている多相電気炉を制御するための制御システムに関する。制御システムは、該相の各々に関連付けられた可変リアクトルと、各可変リアクトルに結合される制御手段とを備える。各可変リアクトルはその関連負荷と電源の間に結合される。制御手段は各相の動作特性を監視するための監視部と、各相で所定の設定値を維持するためにすべての相で該動作特性に基づいて可変リアクトルを制御するための、該監視部に対応するリアクタンス調整部とを備える。
別の態様では、本発明は、各相が関連する可変リアクトルを通して電源に結合されている多相電気炉を制御する方法に関し、該方法は各相の動作特性を監視するステップと、各相で設定値を維持するためにすべての相で該動作特性に基づいて該可変リアクトルを制御するステップとを含む。
ここで一例として、本発明の実施形態を示す添付図面が参照される。
実施形態は電気アーク炉に関して特定の例として説明されるが、本発明は適用において電気アーク炉に制限されない。本発明の実施形態は、有効電力または無効電力あるいは電流需要が変動する、アークが発生しない電極を含む任意の他のタイプの電気負荷、あるいは三線供給または四線供給を用いるものを含む任意の他のタイプの三相不平衡負荷に適用可能であってもよい。
本明細書に説明されている実施形態は概して、相ごとに1個の電極を備えた三相三線電気アーク炉に関するが、本発明が、アークが発生するのか、あるいはアークが発生しないのか、およびDCなのか、あるいはACであるのかに関わらず1個の電極、あるいは数個の電極を有する炉に適用できることが理解されなければならない。特に、本発明は多相電源の相ごとに2個の電極を有する炉に適用されてもよい。例えば、本発明は6個の電極を有する三相の炉に適用されてもよい。
あらゆる種類の電気炉構成について、電極を通過する電流のための帰還路を設けることが必要であることが理解されなければならない。これは、三相電源の導体を通ってもよく、あるいはそれは別個の専用導体を通って供給導体まで通ってもよい。電極が1個の炉のケースでは、電流の帰還路はマットつまり溶融金属と電気的に接触する固定の導電媒質を通ってもよい。
図1に関して説明される電力設定値を維持する上でのこの問題は、図3に関して説明されるように三相負荷の関連でも発生する。図3は、(各々の電源回路F1、F2、...Fnを有する)複数の電気アーク炉22用の簡略化された回路20を示している。線間電圧は三相12a、12b、12cで示されている。各炉は3個の電気アーク電極、A、BおよびC(不図示)、相ごとに1個を含む。
電気アーク炉用の各電源回路の各相は(個々にXvarA1、XvarB1、XvarC1と示されている)可変リアクタンス18と、固定回路リアクタンス16とを含む。各相は、共通の中立点Nで結合されるアークリアクタンス(XarcA1、XarcB1、XarcC1)およびアーク抵抗(RarcA1、RarcB1、RarcC1)から構成されるアークインピーダンス14も含む。一般的には、ソース電圧、アークインピーダンス14および可変リアクタンス18は相間で平衡ではないため、中立点Nは必ずしも接地電位ではない。
アークインピーダンスは経時的に変化する。炉ごとに、可変リアクタンス制御システムは2つの目標を持つ。つまり、第1はアークインピーダンスの変動にも関わらず炉電力を可能な限り設定値の近くに維持することである。第2は、アークインピーダンスの変動にも関わらず炉電流不平衡を最小限に抑えることである。アークインピーダンスの内の1つの変動により3つすべての電流Ia1、Ib1、Ic1で、および炉電力で対応して変化が生じる。アークインピーダンスの変化は、通常、3つすべて同時にではなく相の内の1つまたは2つで発生する。したがって、相の各々の可変リアクタンス18は電力を調整し、電力設定値を維持するために電力の変化を補償するために調整されなければならない。しかしながら、この補正処置が有効となる範囲には限界があり、この限界が(図1Bの曲線Dにより描かれているように)可変リアクタンス18の調整可能範囲に相当する。例えば、アークの損失を補償するために各相での可変リアクタンスをどの程度減少できるのかに関して限界があるため、電力設定値は、1つのアークが消滅したケースでは維持されない場合がある。その結果、これによりアーク炉の相間で不平衡が生じる傾向がある。
ある程度、ある相のアークインピーダンス14の変動に起因する炉内の不平衡は、相の各々について可変リアクタンス18を調整することにより補償されてもよい。さらに、電力設定値を維持するという目標は、相平衡を維持するという目的と矛盾する場合がある。例えば1つのアークが消滅したケースで相の平衡を完全に保たせるには、他の相の電流をゼロまで減少させることが必要になる場合があり、望ましくないゼロへの総電力低下を生じさせるであろう。
前記例は、複数の炉が図3に示されるように1つの共通した電源から供給されるときにさらに2つの目標が必要になることを強調している。つまりすべての炉によって引き出される全体的な電力を、各炉の可変リアクタンスの限界にも関わらず可能な限り設定値の近くに維持することと、各炉の可変リアクタンスの限界にも関わらず、炉によって引き出される電流の全体的な不平衡を最小限に抑えることである。
一実施形態では、本発明は前記4つの制御目的方程式を前記に示されるような優先順位順で適用する、つまり、最初の2つの目的は個々の炉のために電力設定値を維持すること(方程式1)および個々の炉の中で電力不平衡を最小限に抑えること(方程式2)である。そして個々の炉の中の可変リアクタンス18に調整を加えることによりこれらの2つの条件を満たすことができない場合には、第3の条件と第4の条件(方程式3と4)を満たすために他の炉の中の可変リアクタンス18に調整が加えられる。第3の条件は、個々の炉の電力設定値PSPが満たされるか否かに関わらず、総電力が総電力設定値Ptotalspを満たさなければならないというものである。第4の条件は、個々の炉の中の電流不平衡|I2|の状態に関わらず、結合されたすべての炉の総全体不平衡が最小限に抑えられなければならないというものである。
前記条件はすべてが必要な条件ではない。いくつかの実施形態はこれらの条件の内のいくつかのみを含んでもよい。加えて、条件が異なる優先順位であってもよい。例えば、一実施形態では、全体的な不平衡を最小限に抑える目標(方程式4)が、総電力設定値を維持するという目標(方程式3)に優先してもよい。さらにこれらの条件の優先順位のレベルは経時的に変化してもよい。これは、電力系統に対する不平衡のマイナス影響が多くの場合熱に関連しており、経時的に拡大するためである。しかしながら、出力変化の悪影響は、出力変化の速度に関係し、突然の出力変化の直後に最大となる傾向がある。したがって、総有効電力設定値を維持することには、電源の周波数に対する影響を最小限に抑えるために、大きな負荷変動の直後にはさらに高い優先順位がある。しかしながら、持続的な負荷変動の場合は、全体的な不平衡を最小限に抑えることはさらに重要になる。
前記式は、負荷ごとに実際の(有効)電力設定値を維持することに関連するが、それらは他の電力設定値を維持することにも適用されてもよい。例えば、式は仮想(無効)電力設定値、見かけの電力設定値、あるいは力率設定値のような電力の組み合わせを維持するためのシステムに適用されてもよい。
本明細書の電力安定化、電力設定値、および電力測定値に関する参照は等しく電流安定化、電流設定値、および電流測定値に適用してもよい。言い換えると、制御システム100は、それが電力安定化を提供する場合と同じように電流安定化を提供してもよい。
いくつかの実施形態では、電流不平衡の補償は、不平衡電流を最小限に抑えるまたは排除するよりむしろ、所定のレベルの不平衡電流を維持する目標または条件を有してもよい。
いくつかの実施形態では、異なる相に関連付けられている負荷は意図的に異なる電力設定値および/または電流設定値を有してよく、全体的なシステムは特定の制御されたレベルの不平衡を有することを意味している。このような不平衡は、例えば炉の流出口に最も近い電極により多くの電力および/または電流を提供するために炉内にあるのが望ましくてもよい。これにより流出口領域内の溶液の局所的な加熱、その結果溶液粘度の局所的な減少、および炉から液状物質を出す改善された能力が促進される。
ここで、本発明の一実施形態による電力制御システム100のブロック図を示す図4が参照される。電力制御システム100は2つの炉(負荷)101aと101bとを含む。図には、説明を簡略にするために単相実施形態だけしか描かれていないが、当業者は、説明され、図解されている単相制御の機能および動作原理が多相システムにまで拡張されてもよいことを理解するである。さらに、電力制御システムは3つ以上の炉に対する電力を制御するために使用されてもよい。
参照が、aとbの両方を有する数表示によって示されているパーツまたは機能について行われている本説明において参照を容易にするために、例えば「炉101」は、別途に示されない限りは炉101aと101bに対する参照を示すために使用される。
各炉101(三相実施形態のケースでは各相)は、電気炉用変圧器114の二次側に結合されている電極112を含む。電気炉用変圧器114の一次側は固定回路リアクタンス116および可変リアクトル118を通して供給バス電源110に結合されている。代わりに、可変リアクトル118は変圧器114の二次側に設置されてもよい。
一実施形態では、可変リアクトル118は、インダクタ123およびサイリスタスイッチ122の直列組み合わせと並列に接続されているインダクタ120を含む。各サイリスタスイッチ122は、互いに対して反対の極性で配列された1組のサイリスタを含む。
各炉(または相)は、可変リアクトル118の供給側で電圧を測定するための第1の計器用変圧器130と、可変リアクトル118の炉側の電圧を測定するための第2の計器用変圧器132と、電気炉用変圧器114に流れる主要電流を測定するための変流器134と、リアクトルコントローラ128とを含む可変リアクトル制御システムを含む。
リアクトルコントローラ128は、第1と第2の計器用変圧器130、132、変流器134、および所望の電力設定値入力136から情報を受信する。リアクトルコントローラ128はこのような情報を使用して実行される計算に基づいて可変リアクトル118を制御する。
リアクトルコントローラ128は、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、パーソナルコンピュータ、または特定用途向け集積回路(ASIC)等のプログラマブル機器を備えてもよい。リアクトルコントローラ128は、コンピュータプログラム指示を備える記憶されているプログラム制御下で動作してよく、該記憶されているプログラム制御は本明細書に説明されている機能および動作を実現し、ファームウェア等のメモリ素子に記憶されている。本明細書に説明されている機能または動作を実現するためのリアクトルコントローラ128の適切なプログラミングは当業者の理解の範囲内であろう。当業者は、リアクトルコントローラ128がハードウェアおよび/またはソフトウェアの他の組み合わせを使用して実現されてもよいことも理解するであろう。
リアクトルコントローラ128は、サイリスタ122の発射角度を調整することにより可変リアクトル118のリアクタンスを制御し、それによりインダクタ123を通る電流を増加または減少させる。第1と第2の計器用変圧器130、132、および変流器134から得られる継続中の電流および電圧の読取値に基づいて、リアクトルコントローラ128は、インピーダンス変動に起因する(所望の電力設定値136の周囲)アーク炉101内の電力変動または不平衡を調節するためにリアクタンスを変えるためにサイリスタ122をゲート制御する。
各炉101(または相)は、計器用変圧器158から入力を受け取る電極位置コントローラ148と、電気炉用変圧器114の二次側の変流器160をさらに含んでもよい。電極位置コントローラ148は、電極112の高さ、したがってアークインピーダンスを調整するための電極移動システム154に動作可能なように結合される。したがって、電極位置コントローラ148は、アークインピーダンスの変化を補償するために電極112の高さを調整してもよい。電極位置決めシステムの応答時間は、通常、可変リアクタンスシステムより少なくとも1桁遅い。
原料投入システム170は炉110に新しい材料を供給し、炉101から処理済みの材料を取り除くことに対して各炉101に結合されている。各原料投入システム170は、供給速度コントローラ172によって制御される。供給速度コントローラ172は新しい材料の供給を調節し、それが新しい材料の供給速度に対応するデータ信号を電極位置コントローラ148に提供する、電極位置コントローラ148に結合される出力を有する。電極位置コントローラ148はアークインピーダンスに対する変更を予想するために、あるいはアークインピーダンスの変化を補償するためにこのデータ信号を使用する。例えば、電極位置コントローラ148aは、炉101aの内の1つに対する新しい材料の導入を見越して電極112aの低下を開始してもよい。
リアクトルコントローラ128aは、電極112aの低下、そしてその結果としてのアークインピーダンスの減少にも関わらず、可変リアクトル118aのリアクタンスを増加し、このようにして電力が電力設定値を超えないようにすることにより電力設定値レベルを維持する。電極位置コントローラ148の予想動作は、電極112aを、アーク経路を遮断する炉に進入する新しい材料に備えて軽減するような高さに位置決めする。と同時に、リアクトルコントローラ128は可変リアクトル118に対する調整によって炉電力接点を維持する。
新しい材料の炉内への供給が完了すると、電極112は電極位置コントローラ148によってその前回の位置に向かって引き上げられ、結果として生じる調整が、炉の電力設定値が電極112の移動中に維持されることを確実にするようリアクトルコントローラ128によって行われる。
また図13を参照すると、電極位置を調節する方法600がフローチャート形式で示されている。方法600は、電極位置コントローラ148が供給速度コントローラ172から、炉101に新しい材料が投入されなければならないことを示す供給要求信号を受信するとステップ602で開始する。供給要求信号は、オペレータにより手動で開始される供給指示に由来してもよく、あるいは自動化された供給制御システムのケースでは自動化された供給指示に由来してもよい。いったん電極位置コントローラ148が供給要求信号を受信すると、それはステップ604で電極インピーダンス設定値をオーバーライドし、ステップ606で電極(複数の場合がある)112の引き下げを開始する。
電極(複数の場合がある)112が引き下げられる一方で、ステップ608ではリアクトルコントローラ128が可変リアクトル118に対する調整によって電力および/または電流の設定値を維持する。ステップ610では、電極位置コントローラ148は、電極112が所望の位置に達したか否かを決定する。それは電極インピーダンスおよび/または、閾値に達する計算されたアーク長に基づいてこの決定を下してもよい。該閾値は高さに相当し、電極112はスラグ鋼浴に直接接触し、それにより新しい材料がアーク経路を遮断するであろう可能性を最小限に抑える。電極112がこのような高さまで引き下げられるには数秒を要するであろう。
いったん電極112が所望される高さに達すると、次にステップ612で、電極位置コントローラ148は、供給速度コントローラ172が新しい供給材料の炉内への導入をここで開始してもよいことを示すために、供給速度コントローラ172にイネーブル信号を送信する。その結果、ステップ614で、供給システム170が炉101への新しい材料の導入を開始する。
供給システム170は、供給プロセスの終わりを示すために電極位置コントローラに完了信号(不図示)を送信する。ステップ618では、電極位置コントローラがこの信号に応答して、電極を引っ込めること、または引き上げることを開始する。再び、電極112の高さが改変されている間に、リアクトルコントローラ128はステップ620で電力および/または電流の設定値を維持するために可変リアクトル118の値を調整する。ステップ622で、電極位置コントローラ148は、電極12が所望されている高さに達したか否かを決定する。この決定は、ステップ604で一時的にオーバーライドされた電極インピーダンス設定値と比較される場合がある電極インピーダンスに基づいてもよい。いったん電極インピーダンス(つまりアーク長または他の基準)が適切な設定値に達すると、電極位置コントローラ148はステップ624で電極位置を保持し、通常の動作に戻る。
本実施形態では、アークインピーダンスの変動は可変リアクトル118の調整、電極位置の調整、あるいは両方によって補償されてもよい。電極位置の調整は、通常可変リアクトル118の調整より長い時間を要する補正処置であり、供給電圧の各々の半サイクルで発生することがあることも理解されるであろう。その結果、可変リアクタンス制御システム(つまりリアクトルコントローラ128と組み合わされた可変リアクトル118)が、電極位置決めシステムよりもさらに迅速にアークインピーダンスの変動に対応し、電極位置決めシステム時間が変動に応答できるようにしてもよい。
本明細書に説明されている方法およびシステムは、電力および/または電流の変動に応答するために、および/または不平衡を制御するために、可変リアクタンス制御システム、電極位置決めシステムあるいは両方を使用して実現されてもよい。以下の実施形態は、電力および/または電流の安定化あるいは不平衡補償のための可変リアクタンス制御システムの使用を参照しているが、本発明は可変リアクタンス制御システムの使用に制限されない。他の実施形態は、電極位置決めシステムを単独でまたは可変リアクタンス制御システムと組み合わせて利用してもよい。
再び図4を参照すると、電力制御システム100はさらに中央制御装置200を含む。中央制御装置200は各炉の動作特性に関する測定データを受け取るために各炉(または相)に結合されている。例えば、一実施形態では、中央制御装置200は、各炉の電流測定値を受け取るために、各リアクトルコントローラ128に結合され、特に各変流器134に結合されている。
中央制御装置200は、炉ごとに可変リアクトル118の供給側の電圧の測定値を受け取るために、各リアクトルコントローラ128に、または特に各々の第1計器用変圧器130に結合されているさらなる入力部を含む。言い換えると、中央制御装置200は炉(または相)ごとに電圧測定値および電流測定値を受け取る。中央制御装置200は、専用の追加の変流器および変圧器との直接的な結合を通して電圧測定値および電流測定値を受け取ってよく、変流器および変圧器134、130は可変リアクタンス制御回路において、あるいはリアクトルコントローラ128の1つ以上の出力ポートから間接的に使用される。中央制御装置200が炉(または相)の各々について電圧測定値および/または電流測定値を与えられる他の配置があってもよいことが理解されるであろう。
中央制御装置200によって監視される動作特性は、可変リアクトル118の設定値または値を含む。この可変リアクトル設定値は各リアクトルコントローラ128から中央制御装置200に入力される。例えば、各リアクトルコントローラ128は、中央制御装置200にその計算されたリアクタンス設定値を出力する。
中央制御装置200は、総電力設定値値208を受け取るための入力をさらに含む。総電力設定値208は、炉ごとに、個々の所望の電力設定値入力136の合計から計算される。好ましくは、中央制御装置200はリアクトルコントローラ128の各々から個々の電力設定値136を受け取り、該受け取った値を合計することにより総電力設定値208を計算する。
中央制御装置200は、本明細書に説明されている機能を実現するために、デジタル信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または例えばファームウェア等の、メモリに記憶されているプログラムを実行するための他のプログラマブル機器を備えてもよい。中央制御装置200の機能は、多くの異なるハードウェアおよび/またはソフトウェアの構成を使用して実現されてもよいことが理解される。中央制御装置200の適切なプログラミングは、本説明により当業者の知識の範囲内であろう。
中央制御装置200は、前述の条件の内の1つ以上に従って炉のすべての全体的な動作(および各多相炉の相ごとの電力)を調節する。その結果、中央制御装置200は各リアクトルコントローラ128に結合されている第1の出力ポート202を含む。中央制御装置200は第1の出力ポート202を通して第1の制御信号を出力し、それにより可変リアクトル118を調整するための指示をリアクトルコントローラ128に提供する。一実施形態では、中央制御装置200は電極位置コントローラ148に結合されている第2の出力ポート204も含む。中央制御装置200は第2の出力ポート204を通して第2の制御信号を出力し、それにより電極高さを調整するための指示を電極位置コントローラ148に提供する。第1の制御信号および第2の制御信号は該条件の1つ以上を満たすために中央制御装置200により計算される値を含んでもよい。中央制御装置200によって計算される値は対応する可変リアクトル118のその制御を管理するためにリアクトルコントローラ128によって計算される値をオーバーライドする。
一実施形態では、中央制御装置200は、前述の第1のおよび/または第3の条件を満たすために複数の三相負荷の電力消費を安定化する。(方程式1によって例示される)第1の条件は、炉の各電極によって引き出される電力の合計がその炉のための電力設定値に等しくなることを必要とする。(方程式3によって例示される)第3の条件はすべての炉による個々の電力消費の合計が、システム全体のための総電力設定値に等しくなることを必要とする。
中央制御装置200は、炉(または相)の各々の動作特性を監視し、炉(または相)が個々に電力の低下を補償することができないか否かを特定する。例えば、所与の三相炉Aは三相電力で低下を経験する場合があり、可変リアクトル118を使用して補償しようと試みる場合がある。中央制御装置200は、電流と電圧、および炉Aの中の可変リアクトル118の設定値を監視する。
可変リアクトル118の設定値が最小値または最大値に達し、炉Aにより引き出される電力が所定量P多く、炉Aの電力設定値PspAを逸脱する場合には、中央制御装置200は該逸脱を補償すべく動作する。中央制御装置200は、炉Aにより引き出される電力の所望の電力設定値PspAに満たない(あるいはそれより高くなる)範囲を計算し、残りの炉に、炉A内での電力逸脱を補償するためにある量分、それらの電力引き出しを増加または減少させるように指示する。
同様に、例えば、単独の三相炉の中で1つの相が電力の低下または上昇を経験する場合があり、中央制御装置200はその相に関連付けられた可変リアクトル118を使用して補償を試みる。可変リアクトル118が最大値または最小値に達し、電力がその設定値まで戻っていないためにその相のための可変リアクトルコントローラ128が補償できない場合には、中央制御装置200は、その相の可変リアクトルコントローラ128が出力変化に単独で対処できないと判断する。その結果、中央制御装置200は、1つの相での該不足分または上昇分を補償するために残りの相がそれらの電力引き出しを増加または減少しなければならない量を決定する場合がある。次にそれは他の相の可変リアクトルコントローラ128に、それらの電力設定値を調整することによりそれらの電力消費、したがってその可変リアクトル118のリアクタンス値を調整するように指示する。
やはり図11を参照すると、少なくとも2つの負荷の電力消費を安定化する方法400のフローチャートが示されている。方法400はステップ402で開始し、中央制御装置200は炉内の電力負荷の動作特性を監視する。特に、中央制御装置200は、負荷が事前に設定された電力設定値で動作しているか否かを監視する。それは、該値、つまり各負荷の可変リアクトルの設定値が最大設定値または最小設定値に達したか否かをも監視する。ステップ404では、中央制御装置は、負荷により引き出される電力が設定値から逸脱したか否かを評価することにより補正処置が必要とされているか否かを判断する。それは、該負荷と関連付けられた可変リアクトル(あるいは三相負荷のケースでは、3台の可変リアクトルの内の任意の1台)が最大値または最小値に達したか否かをも評価する。これらの2つの状況が発生する場合、中央制御装置は、電力消費を安定化するために補償が必要とされていることを認識し、該方法はステップ406に続く。これらの状況が存在しない場合、つまり引き出された電力が設定値から逸脱していない、あるいは関連する可変リアクトルが最大値または最小値に達していない場合、該方法はステップ402に戻り、状況の監視を続行する。
負荷が個別の三相炉内の相負荷単位であってもよく、あるいは複数の炉と関連付けられた三相負荷であってもよいことが理解される。後者のケースでは、中央制御装置は各炉の中の相ごとに個別の入力を受け取る場合があり、各炉の中の各相の可変リアクトルを監視してもよい。
ステップ406では、中央制御装置は、全体的に総電力設定値を維持するために補正処置を講じなければならない範囲を決定する。それは測定された、引き出された電力と全体的な総電力設定値の差異を計算する。例えば負荷の1つが70MWという電力設定値を有し、50MWという実際の電力引き出しまで低下し、2つの他の負荷が70MWという電力設定値で電力を引き出している場合には、20MWという不足分がある。
ステップ408で、中央制御装置は計算された差異を補償するために(問題を経験している炉以外の)他の炉内で必要とされる出力変化を決定する。中央制御装置は、他の負荷が電力不足分を補償しなければならない範囲を決定するために多くの規則またはアルゴリズムを利用してもよい。いくつかの実施形態では、必要とされる追加の電力引き出しは、他の炉同士の間で均等に配分されてもよい。他の実施形態では、必要とされる追加の電力引き出しの相対的な配分を決定するためにさらに複雑な規則を適用してもよい。
一実施形態では、中央制御装置はルックアップテーブルを記憶するメモリを含んでもよい。ルックアップテーブルは、特定の負荷と関連付けられた特定の電力不足分について、他の負荷が実現しなければならない対応する電力増加を指定してもよい。中央制御装置はルックアップテーブルの中の2つのエントリの間に相当する値にさらに補間を適用してもよい。ルックアップテーブル値は、電力供給の短期加熱能力曲線、および特定の炉の動作基点のためのプロセスに部分的に基づいてもよい。
いったん中央制御装置200が電力不足分を補償するために他の負荷から必要とされる相対的な電力増加を決定すると、ステップ410で、それは他の負荷と関連付けられた可変リアクトルコントローラ128に電力オーバーライドコマンドを発行する。それは、例えば負荷に特有の新しい電力設定値を指定する制御信号を送信してもよい。代わりに、それは、既存の負荷に特有の電力設定値が増加されなければならない増分を指定する制御信号を送信してもよい。電力オーバーライドコマンドは、オーバーライド持続時間も含んでもよい。オーバーライド持続時間は、中央制御装置200で記憶されている所定値であってもよい。オーバーライド持続時間は状況に依存してよく、ルックアップテーブルによって指定されてもよい。
他の負荷に関連付けられた可変リアクトルコントローラ128の各々は、ステップ412でその電力オーバーライドコマンドを受け取り、その負荷に特有の電力設定値を相応して調整する。ステップ414では、可変リアクトルコントローラ128は、それらの関連付けられた可変リアクトル118のための新しい値を求めることにより調整された負荷に特有の電力設定値に応答する。その結果、可変リアクトルの値は変更され、他の負荷の各々によって引き出される電力は、調整された負荷に特有の電力設定値を満たすために変えられてもよい。可変リアクトルコントローラ128は、オーバーライド持続時間が期限切れになるまでこれらの調整された負荷に特有の電力設定値を維持する。
ステップ416では、可変リアクトル128が、オーバーライド期間が期限切れになったか否かを判断する。期限切れになった場合には、ステップ418で、それらはオーバーライド部を取り除き、通常の動作に戻るためにその負荷に特有の電力設定値をリセットする。該方法400は、ステップ402に戻り、中央制御装置200はその監視機能を続行する。
代替的実施形態では、ステップ418で、中央制御装置200は負荷の電力制御を再評価し、問題のある負荷が通常の動作に戻ったか否か、例えば電力不足の問題が解決されたか否かを判断する。解決されていた場合には、それはオーバーライドコマンドを取り消し、ステップ402に戻る。解決されていなかった場合には、それはオーバーライド期間を延長し、ルックアップテーブルの追加指示に従ってオーバーライドコマンドを修正するか、あるいはオーバーライドを取り消し、オペレータに問題を警告するかのいずれかであってもよい。
別の代替的実施形態では、制御システム100は各可変リアクトル118と関連付けられた個々の可変リアクタンス制御システム128を特徴としていない。むしろ中央制御装置200は各可変リアクトル118を直接的に制御する。例えば、三相負荷は相ごとに可変リアクトル118を有してよく、制御システム100は各相の動作特性を監視し、各可変リアクトル118に対する対応する調整を管理するために各可変リアクトル118に結合される中央制御装置200を提供してもよい。このような実施形態はY構成三相負荷、つまり三線システムを介して供給される、中立線接続のない負荷として実現されてもよい。
さまざまな設定値が三相負荷の各相に適用し、所定のレベルの不平衡を生じさせてもよい。3つの負荷の相互関係は、設定値の1つ以上からの逸脱に対処するために3つすべての可変リアクトルにとって必要な調整を決定するために中央制御装置200が解く方程式のシステムにつながる。1つの可変リアクトル118での変化は相のすべての動作特性に影響を及ぼす。設定値からの逸脱に対処するために相の特性を調整する場合、調整は可変リアクトル118のすべてに対して行われる。各可変リアクトルに対する調整は、すべての相の特性を考慮に入れ、決定される。
電力安定化関数の実現に加えて、または電力安定化関数の実現の代替策として、中央制御装置200は不平衡補償関数を実現してもよい。前記に設定された第2の条件(方程式2)は、三相負荷の中の不平衡が最小限に抑えられなければならないと述べている。第4の条件(方程式4)は、複数の三相負荷システム内での全体的な不平衡が最小限に抑えられなければならないと述べている。
再び図4を参照すると、中央制御装置200は1つ以上の三相負荷内での不平衡の範囲を監視する。三相負荷を有する単独の炉のケースでは、中央制御装置200が三相負荷の中の不平衡の範囲を決定し、不平衡を最小限に抑えるために可変リアクトルコントローラ128に補正指示を提供する。各々が三相負荷を有する複数の炉のケースでは、中央制御装置200は、炉の全体的な組み合わせが不平衡を示すか否かを判断する。それは、全体的な不平衡が炉の中の1つの中での相当な不平衡に起因するのか否か、およびその炉が補償できないか否かを評価してもよい。次にそれは残りの炉に対して補正指示を提供する。
例えば、単独の炉のケースでは、中央制御装置200は、各相内の電流を監視し、方程式5に従って炉の逆相電流I2を決定する。逆相電流I2が、炉が不平衡であることを示す場合、中央制御装置200は不平衡を最小限に抑えるための補正処置を決定してもよい。例えば、それは、不平衡が相の内の1つにおける低電力測定に起因すると結論付けてよく、それは他の2つの相の中の電流を引き下げることにより不平衡を補正してもよい。これは電力引き出しの減少につながり、電力設定値を維持するという目標に対して評価される必要があるであろう。中央制御装置は、論理規則を記憶するメモリ、または所与の状況のための適切な補正処置を解決するためのルックアップテーブルを含んでもよい。
不平衡状況を補償するために、中央制御装置200は可変リアクトルコントローラ128にコマンド信号を出力し、応答して、可変リアクトルコントローラ128はその関連付けられた可変リアクトル118のリアクタンスを調整する。前述のように、一実施形態では、コマンド信号は、負荷のための通常の電力設定値の代わりに使用されるオーバーライド電力設定値を備えてもよい。別の実施形態では、コマンド信号は増分電力設定値の増加または減少を備えてもよい。他のコマンド信号は電流設定値または可変リアクトル値または設定値を指定することを含む、設定値オーバーライド信号の代わりに使用されてもよい。
図5も参照し、中央制御装置200はさらに詳しく説明される。中央制御装置200の機能は、各炉内の各相、および各炉自体がその設定値で動作していることを確実にするために、可変リアクトル118および電極位置制御装置コントローラ148を監視、制御することである。この目的のために、中央制御装置200は、可変リアクトル118のリアクタンス値の調整を引き起こすために、直接的にまたは(後述されるような)中間コントローラを介してのいずれかで可変リアクトルコントローラ128と通信する。
その監視機能および補償機能のために補償コントローラまたは総合コントローラとも称されることがある中央制御装置200は、単一の中央演算処理装置(CPU)または複数のプロセッサを備えてもよいコンピュータプロセッサ220を備える。コンピュータプロセッサ220は、本明細書に説明されている監視機能および制御機能を容易にするためにプログラミングされているソフトウェアモジュールの形式を採るコンピュータプログラム指示を実行する。コンピュータプロセッサ220によって実行されるコンピュータプログラム指示はメモリ222に記憶され、必要に応じてコンピュータプロセッサ220によってアクセスされる。中央制御装置200は、リアクタンス値および/または特定の設定値に対応するサイリスタゲート角度値を含むルックアップテーブルを記憶するためにコンピュータプロセッサ220がアクセス可能なデータベースメモリ226をさらに備える。データベース226は、その監視機能および制御機能の動作中に中央制御装置200によって受信される履歴データおよび解析データも含んでもよい。
中央制御装置200は、炉のオペレータが中央制御装置200と接続できるようにするためのユーザインタフェース224をさらに備える、あるいはそれと関連付けられる。ユーザインタフェース224は、例えば1つ以上のディスプレイ、キーボードおよびマウス等のカーソル位置決め装置を含む任意の形式の標準的なユーザインタフェース装置であってもよい。さらに、ユーザインタフェース224は、ネットワークに接続されている多くのコンピュータ端末から中央制御装置220に対する分散接続のためのネットワーク接続も備えてもよい。
複数の炉のケースでは、中央制御装置200は、複数の三相負荷の全体的な電力不平衡または電流不平衡、ならびに各三相負荷のための位置決めシステムおよび可変リアクトル118の設定値を監視してもよい。中央制御装置200は、複数の三相負荷の内のいずれか1つにおける相当な電力不平衡または電流不平衡についても、同様にあるいは代わりに監視してもよい。不平衡状態が存在し、1台以上の可変リアクトル118がその最小設定値または最大設定値となる場合には、中央制御装置200による補正処置は、修正された設定値に従って可変リアクトルおよび/または別の炉の電極位置を調整することにより、ある炉がその設定値を達成できないことを補償するために必要とされる場合がある。
複数の炉のケースでは、各炉は、該三相負荷と関連付けられた3台の可変リアクトルコントローラ128に結合されている独自の「中央」または「中間」レベルのコントローラを有する場合がある。中央制御装置200は、次に中間コントローラと直接的に通信してもよい。言い換えると、コントローラの「ネスティング」があってもよい。代わりに、可変リアクトルコントローラ128は、図6に示されるように、複数の可変リアクトルを制御し、中央制御装置200と直接的に通信してもよい。可変リアクトルコントローラ128は、このようにして形式的な中間コントローラとして働いてもよい。中央制御装置200は、同様に、または代わりに、図7に示されるように、相ごとに可変リアクトルコントローラ128と直接的に通信してもよい。
各負荷の不平衡を監視するために、中央制御装置200は変流器134を直接通る電流測定値を受け取ってもよい。別の実施形態では、中央制御装置200は相単位の可変リアクトルコントローラ128から電流測定値を取得してもよい。さらに別の実施形態では、中央制御装置200は、炉ごとに中間コントローラから電流測定値を取得してもよい。他の実施形態では、中央制御装置200はその関連する中間コントローラから各三相炉の計算された不平衡状態を受け取ってもよい。
いずれにせよ、中央制御装置200は全体的な不平衡および/または個々の炉の不平衡を監視し、不平衡を経験している炉の内の1つと関連付けられる可変リアクトルが設定値または値の範囲の端にあるか否かを監視する。これは、該炉が不平衡状況を単独で補償できないことを示している。したがって、中央制御装置200は、他の炉の内の1つ以上に相殺する不平衡を導入することにより1つの炉の不平衡を補償しようとする。中央制御装置200はこのようにして炉システム内のすべての炉全体での不平衡電力を監視し、補償する。
中央制御装置200は、不平衡の炉と関連付けられた逆相電流I2を相殺するために必要とされる逆相電流I2の量を決定する。電力安定化と関連して前述のように、中央制御装置200は、相殺する逆相電流I2を生成するために残りの炉から必要とされる適切な変化を計算するために論理規則またはアルゴリズムを活用してもよい。中央制御装置200は、適切な補正処置を講じるために必要とされるリアクタンス値を求めるために中央制御装置200にあるメモリ222またはデータベース226に記憶されているルックアップテーブルを参考にする。補正処置は他の炉に対して、1つ以上の相で電力または電流を増加、または減少させるように指示することを含んでもよい。
中央制御装置200によって中間コントローラに対して、あるいは可変リアクトルコントローラ128に対して発行されるコマンド信号は、特定の相のためのオーバーライド電力設定値またはオーバーライド電流設定値を含んでよく、オーバーライド持続時間を含んでもよい。中央制御装置200がそのコマンド信号を中間コントローラに送信し、該コマンド信号が炉で必要とされる特定の逆相電流I2を指定する実施形態では、中間コントローラは特定の逆相電流I2、引き出される電力、およびアークインピーダンスと関連付けられた可変リアクタンス値を設定するルックアップテーブルを記憶してもよい。補間は、テーブルの中の項目の間で値を求めるために使用されてもよい。中間コントローラは、次に相単位の可変リアクトルコントローラ128に、その関連付けられた可変リアクトル118の設定値を指定する制御信号を発生してもよい。
ここで、1つ以上の多相負荷における不平衡を補償する方法500を示す図12が参照される。該方法500はステップ502で開始し、中央制御装置200は1つ以上の炉/相の動作特性を監視する。特に、中央制御装置200は負荷/相が閾値を超えて不平衡であるか否かを監視する。該閾値はゼロに設定されてよく、いかなる不平衡でも注意が喚起されることを意味するが、実際には、閾値は、補償をトリガしないで少量の不平衡を見越すように設定されてもよい。例えば、閾値は約10%に設定されてもよい。中央制御装置200は、値つまり1つ以上の負荷の任意の相の可変リアクトル118の設定値が最大設定値に達したのか、あるいは最小設定値に達したのかについても監視してもよい。
ステップ504では、中央制御装置200は、該1つ以上の負荷の不平衡が閾値を超えるか否かを評価することにより補正処置が必要とされるか否かを判断する。それは、さらに、全体的な不平衡を引き起こした特定の負荷、つまり不平衡負荷を特定してもよい。それは、不平衡負荷と関連付けられた可変リアクトル118のリアクタンスが最大値に、または最小値に達したのか否かをも評価する。これらの状態が発生していない場合には、中央制御装置200は、電力消費の平衡を取り戻すために補償が必要とされていることを認識し、該方法はステップ506に続く。これらの状態が存在しない場合、つまり全体的なシステムが平衡している場合、あるいは関連付けられた可変リアクトル118が最大値または最小値に達していない場合には、該方法はステップ502に戻り、状況を監視し続ける。
ステップ506では、中央制御装置200は、それが該検出された不平衡を補償するために補正処置を講じなければならない範囲を決定する。単独の多相負荷の実施形態では、それは1相での不平衡の規模を決定し、システムを補償し、システムの平衡を保つために他の相に対して行われなければならない調整を決定する。複数の炉の実施形態では、それは、全体的なシステムの平衡を保つために他の負荷から必要とされる、相殺する逆相電流の範囲を特定するために不平衡の炉の逆相電流I2を決定する。
ステップ508では、中央制御装置200は、不平衡を補償するために(問題を経験している炉以外の)他の炉の中で必要とされる電流および/または電力の変化を決定する。例えば、そして図4から図6に関連して以下に一例として説明されるように、複数負荷のシナリオでは、中央制御装置200は不平衡負荷に起因する逆相電流を取り消すために各相で必要な逆相電流を決定してもよい。中央制御装置200は、次に、負荷の各々に必要とされる相単位の逆相電流を割り当て、逆相電流を生じさせるほど十分な不平衡を導入するために各負荷で必要とされる相単位の調整を計算してもよい。
中央制御装置200は、他の負荷がどのようにして不平衡を補償できるのかを決定するために多くの規則またはアルゴリズムを利用してもよい。いくつかの実施形態では、必要とされる不平衡は他の炉同士の間で均等に配分されてもよい。他の実施形態では、さらに複雑な規則が必要とされる不平衡の相対的な配分を決定するために適用してもよい。
一実施形態では、中央制御装置200は、データベース226またはメモリ222の中にルックアップテーブルを記憶してもよい。ルックアップテーブルは、不平衡を相殺するために、特定の不平衡状態について、他の負荷の各相での対応する電力および/または電流調整を指定してもよい。中央制御装置200は、さらにルックアップテーブルの中の2つの項目の間に相当する値で補間を適用してもよい。
いったん中央制御装置200が不平衡を補償するために他の負荷の中の各相から必要とされる相対的な電力および/または調整を決定すると、ステップ510で、それは他の相/負荷に関連付けられた可変リアクトルコントローラ128にオーバーライドコマンドを発行する。中央制御装置は、例えば新しい負荷に特有の電力または電流の設定値を指定する制御信号を送信してもよい。代わりにそれは、既存の負荷に特有の電力または電流の設定値が増加されるべき増分を指定する制御信号を送信してもよい。オーバーライドコマンドはオーバーライド持続時間をも含んでもよい。オーバーライド持続時間は、中央制御装置200で記憶されている所定値であってもよい。オーバーライド持続時間は状況に依存してよく、ルックアップテーブルによって指定されてもよい。
他の負荷での各相と関連付けられた可変リアクトルコントローラ128の各々は、ステップ512でそのオーバーライドコマンドを受信し、その動作を相応して調整する。これは、例えば負荷に特有の(つまり相に特有の)電力または電流の設定値を調整することを含んでもよい。ステップ514では、可変リアクトルコントローラ128は、オーバーライドコマンドにより指定されるオーバーライド設定値に準拠するためにその関連付けられた可変リアクトル118を調整する。その結果、可変リアクトル118の値は変更され、他の相/負荷の各々により引き出される電力および/または電流は変えられる。可変リアクトルコントローラ128は、オーバーライド持続時間が期限切れになるまで調整された負荷に特有の電力および/または電流の設定値を維持する。ステップ516では、可変リアクトルコントローラ128は、オーバーライド持続時間が期限切れになったか否かを判断する。期限切れになった場合には、ステップ518でそれらは、オーバーライド部を取り除き、通常の動作に戻るために、その負荷に特有の電力設定値および/または電流設定値をリセットする。該方法500は、次にステップ502に戻り、中央制御装置200はその監視機能を続行する。
代替的実施形態では、ステップ518で中央制御装置200は負荷の不平衡を再評価し、例えば不平衡問題が解決されたか否か等、問題のある負荷が通常の動作に戻ったか否かを判断する。解決された場合には、それはオーバーライドコマンドを取り消し、ステップ502に戻る。解決されなかった場合、それはオーバーライド期間を延長し、ルックアップテーブルの追加指示に従ってオーバーライドコマンドを修正するか、あるいはオーバーライドを取り消し、オペレータに問題を警告するかのいずれかであってもよい。
一般的には、可能な場合各炉に独自の設定値を維持させるために、オーバーライドの持続時間を比較的短く保つことが所望される。また、電力設定値の増加は特定の電源部の定格容量を超えている場合があり、増加した設定値が装置の過負荷機能曲線を超えないように持続期間で制御されなければならない。このような機能曲線は、通常、装置を損傷することなく連続定格より大きな短期容量を可能にする。したがって、過負荷のさらに短い持続時間は数秒間、その定格値を超える200%の増加してもよいが、最高5分の持続時間ではその定格値を超える110%の増加しか可能ではない。オーバーライド規模ごとに可能になるオーバーライド持続時間が計算され、データベース226に記憶されてもよい。
設定値オーバーライドは、持続時間期限切れまたはオーバーライドを生じさせた偏差の補正の結果として終了してもよい。いったんオーバーライドが終了すると、設定値はその元のレベルに戻ってもよい。この帰還は、電力値を徐々に減少させ、大きな変化を回避するために、所定の速度でなされてもよい。例えば、設定値は毎秒約1%の速度でその元のレベルまで減少または増加してもよい。
方法500の一実施形態では、ステップ504は電力または電流等の所与の動作特性について、偏差の程度および該偏差が及ぶ期間を監視することを含んでもよい。例えば、監視されている動作特性がその設定値から、所定の偏差以上逸脱する(つまり閾値を上回る)場合、中央制御装置200は補正処置が必要とされると判断してもよい。所定の偏差の程度は持続時間にとって許容できる期間に結び付けられてもよい。
中央制御装置200が、補正処置が必要とされていると判断する前に許容されていた偏差の程度および期間は互いに逆に変化する。例えば、偏差の程度が大きいほど、その偏差に許容される期間は短くなる。逆に、偏差が小さければ比較的長い期間持続することを許容されてもよい。例えば、20%という偏差が補正処置を講じる前の1秒の何分の1しか許可されない場合があるのに対し、5%未満の偏差は多くの秒秒、つまり数分許可されてもよい。
一実施形態に従って、炉の間の相互補償は以下のように実行されてもよい。中央制御装置200は運転中の炉の数を監視し、各炉での設定値と実際の電力、電流および不平衡を監視する。中央制御装置200は、炉の動作特性のいずれかが所定量分その設定値から逸脱したか否か、および局所的な可変リアクタンスコントローラ128が偏差を補正したか否かを判断する。中央制御装置200は、設定値が制限値に達し、その結果、もはやすでに調整できなくなったか否かを判断するために関連する炉の可変リアクトル設定値を監視することによりこれを決定してもよい。代わりに、中央制御装置200は偏差の期間を監視してもよい。例えば5サイクルより長い偏差は、可変リアクトルコントローラが調整限界に遭遇し、必要な補償に必要とされるような追加の調整を行うことができない旨を示すものでもよい。
中央制御装置が、補正処置が必要とされると判断すると、それはそれらの炉の中の実際の動作特性に基づいて他の動作中の炉に偏差を配分する。中央制御装置200は次に、他の炉に対して設定値オーバーライドコマンドを発行し、オーバーライドの持続時間を指定する。第2の設定値変化がオーバーライド持続時間中に必要となる場合、追加の設定値オーバーライドが、それらの炉と関連付けられた可変リアクトルの制御範囲内にある残りの炉に発行されてもよい。これは以下の表1に描かれており、炉F4の炉電力が時間t0で70メガワットから30メガワットに下落し、続いて炉3内で電力が時間t1で100メガワットから90メガワットに下落する。
ここで、例えば本発明による実施形態例のための位相ベクトル図をグラフで示す図8、図9、および図10を参照する。実施形態例では、電力制御システム100(図4)は4つの三相負荷、つまり炉F1、F2、F3およびF4を含んでいる。炉F1の相Aでのアークは消えてしまった。
図8は、炉F1により引き出される電流に基づいた4つの位相ベクトル図250、252、254、256を示している。第1の位相ベクトル図250は、三相負荷の3つの相のa−b−c電流成分を示しており、該相の内の1つが脱落した。特に第1の位相ベクトル図250は相B電流成分258および相C電流成分260を示している。相Aでのアークの損失のために相Aの電流成分は見えない。
三相ベクトルのセットは、平衡が保たれたベクトルの3つのセット、つまり正相セット、零相セットおよび逆相セットに分解されてもよい。逆相セットと零相セットの中の位相ベクトルのすべてが同じ大きさを有するように、正相セット内の位相ベクトルのすべては同じ大きさを有する。完全に平衡が保たれたシステムはa−b−c電流位相ベクトル図に一致する正相セットを有する。不平衡のシステムは、非ゼロの大きさの位相ベクトルとともに、逆相セットおよび/または零相セットを有するであろう。例の中のシステムのような三線システムの場合、非零相電流が流れるため、すべての状態の零相セットはゼロを有することがある。
図8では、第3の位相ベクトル図254が、相Aでのアークが損失したケースの位相ベクトルの正相セットを示している。第4の位相ベクトル図256は逆相セットを示している。正相セットは相A262、相B264、および相C266のための正相位相ベクトルを含む。同様に、逆相セットは、相A268、相B270、および相C272の逆相位相ベクトルを含む。相A262の正相位相ベクトルが相A268の逆相位相ベクトルを取り消すため、第3の位相ベクトル図254と第4の位相ベクトル図256を合計すると、第1の位相ベクトル図250が生じることが留意される。
電位制御システム100は、炉F1で電力が低下したこと、および炉F1のリアクトルコントローラ128(図4)が電力状態の低下および不平衡状態を補正できなかったことを認識する。4つの炉によって引き出される全体的な電力は、炉F1がその電力設定値に及ばない量だけ、低下し、炉F1内の不平衡状態は4つの炉によって引き出される電力の全体的に不平衡な状態を引き起こす。その結果、電力制御システム100は、炉F2、F3およびF4のためのリアクトルコントローラ128に、炉F2、F3およびF4のための可変リアクトル118(図4)を調整し、それらの炉により引き出される電力を増加し、炉F1によって引き起こされた不平衡を相殺するために相不平衡の基準を導入するように指示する。
図9は、リアクトルコントローラ128が可変リアクトル118を調整した後の炉F2、F3およびF4での電流に基づいた4つの位相ベクトル図280、282、284、286を示す。第1の位相ベクトル図280は、相A288、相B299、および相C292の電流位相ベクトルを示している。位相ベクトル288、290、292は異なる規模を有し、互いから120度位相がずれていない、つまり、それらの平衡は保たれていない。
第3の位相ベクトル図284は、相A294、相B296および相Cのための正相位相ベクトルを示しており、第4の位相ベクトル図286は相A300、相B302、および相C304のための逆相位相ベクトルを示している。第4の位相ベクトル図286の逆相位相ベクトル300、302、304の規模は、その可変リアクトル118の調整によって炉F2、F3およびF4の各々に導入される不平衡の量を示す。
図10は、4つすべての炉F1、F2、F3およびF4によって引き出される電流の全体の合計のための4つの位相ベクトル図310、312、314、316を示す。第4の位相ベクトル図316の中に逆相位相ベクトルが存在しないことにより、および第1の位相ベクトル図310と第3の位相ベクトル図314が一致することにより示されるように、電流の合計の平衡が保たれていることが理解されるであろう。
以下の2つの表は、前述の例をさらに描く。第1の表、表2は、電力安定化システムがないケースの特定の変数の値を示す。第2の表、表3は、電力制御システム100(図4)による調整後のそれらの変数の値を示す。
電力制御システム100が、炉F2、F3およびF4の可変リアクタンス118(図4)に調整を加えさせた第2のケースでは、4つの炉の全体的な電力引き出しは、炉F2、F3およびF4によって引き出される電力を増加することにより280MWという合計電力設定値で維持されている。それらの炉の各々の相によって引き出される電流を調整するために炉F2、F3およびF4の中の可変リアクトル118に調整が加えられ、それにより消費される電力が増加し、各々の炉での不平衡が大きくなることが表3から理解されるであろう。効果は、発電機により見られる全体的な相の不平衡を1%未満に減少させることであるが、炉F2、F3およびF4に導入される不平衡は約17.74%である。
可変リアクトル118は、サイリスタスイッチの単一の組を含むとして示されてきたが、例えば多段サイリスタスイッチのような他の構成が可変リアクトル118に使用できるであろうことが理解される。代わりに、他のタイプの電力スイッチがサイリスタの代わりに使用できるであろう。
後述されているのは、線路可変リアクタンスの独立した制御を使用して、三相電力安定化および不平衡最小化を達成するための三相三線炉負荷のための制御方法である。電源電圧の平衡が保たれている場合、三相電力安定化および不平衡電流減少は、(相単位電力がより均等になる)ために不平衡電力減少も生じさせる。
制御方法が実行されるために、以下の事前計算方法がオフラインで行われ、結果は参照のためにデータベース226のルックアップテーブルに記憶される。
1.所望の電力設定値のセットを考慮する。
2.異なる構成が考えられるシステムインピーダンスのセットを考慮する(例えば、電気炉用変圧器のタップの各変化はシステムインピーダンスの変化を構成する)。
3.可変リアクタンスについて公知の下限と上限を考慮する。
4.各相の炉負荷インピーダンスの予想範囲を考慮する。
5.各電力設定値およびシステム構成、および負荷インピーダンスの各セットについて、方程式1と2を満たす各相の可変リアクタンスXvarの値を計算し、この場合各Xvarは上限と下限によって制限される範囲内にある。
6.実現可能な解が、所望の電力設定値を満たすためにステップ5で発見されない場合、不平衡値にかかわらずに所望の電力設定値に最も近い値を満たすために、すべてのXvarをその上限値または下限値に設定する。
7.インピーダンス値に従って5または6で得られるXvar値をルックアップテーブルに記録する。
8.ルックアップテーブルが完成するまで負荷インピーダンスのセットを続行する。
9.すべての他の所望の設定値およびシステム構成についてステップ5から8を繰り返す。
10.可変リアクタンスが、Xvarを計算する代わりに、あるいは計算するのに加えてサイリスタの適用によって得られる場合、Xvar値に対応するサイリスタゲート角度の量は直接的に計算し、記録することができる。
いったんルックアップテーブルが作成されると、以下の方法が炉の運転中に実行される。
1.負荷電流と電圧を測定することにより相ごとの炉負荷インピーダンスを測定する。
2.所望の電力設定値を求める。
3.システム構成に関する情報を取得する。
4.所望の電力設定値およびシステム構成に対応する適切な表を見つける。
5.負荷インピーダンス値ごとに、対応する量のXvarをルックアップテーブルから読み取る。測定された負荷インピーダンス値がルックアップテーブルの中のインデックス値の間にある場合、補間によってXvarの対応する値を見つける。
6.可変リアクトルの値を計算された値に設定する。
7.ゲート角度が、Xvar値の代わりにルックアップテーブルに記憶される場合、読み取られる値はゲート角度である。そうでない場合、Xvar値はゲート角度に変換される。
以下の表4は、負荷インピーダンスの10の異なるケースに対して前記方法を適用した例を示す。目標は、54MWという電力設定値を維持し、三相三線システムにより供給される炉負荷の不平衡電流を最小限に抑えることである。これらの結果は、目標は不平衡補償を必要とせず、三相のXvar値が三相の電力設定値を維持するために必要とされる値に等しかった表5に示されるケースと比較できる。このケースでは、Xvarの下限は0であり、不平衡電流はI2に等しい(零相電流は流れることができない)。
表4のケース1、2、4、5および7では、不平衡がほぼゼロまで減少させられる一方で、電力設定値を維持することができる。ケース3、6、および8では、電力設定値を維持することができるが、不平衡は、不平衡補償がないケースよりは依然として低いがゼロではない。これは、相の少なくとも1つでのXvarで下限値に達するためである。
ケース9および10では、すべてのXvar値は、電力を最大限にし、それを設定値に最も近づけるためにゼロに設定されている。しかしながら、電力レベルを維持することはさらに高い優先順位を有するため、これは不平衡電流の規模を無視することにより行われる。不平衡電流の減少は、表5を4と比較すると明らかである。
後述されているのは、インライン可変リアクタンスの独立した制御を使用する、三相三線炉負荷電流安定化および不平衡最小化のための制御方法である。電流安定化は、電流の正相成分を制御することとして定義される。
以下の事前計算は、炉システムがオフラインである間に行われ、結果として生じるルックアップテーブルは参考のために制御システムメモリに記憶される。
1.所望の電流設定値Ispのセットを考慮する。
2.異なる構成が考えられるシステムインピーダンスのセットを考慮する(例えば、電気炉用変圧器タップの各変化はシステムインピーダンスの変化を構成する)。
3.可変リアクタンスの公知の下限と上限を考慮する。
4.各相の炉負荷インピーダンスの予想範囲を考慮する。
6.所望の電流設定値を満たすために実現可能な解がステップ5で発見されない場合には、不平衡値にこだわらずに所望の電流設定値に最も近い値を満たすために、すべてのXvar値をその上限値または下限値に設定する。
7.5または6で得られたXvar値をルックアップテーブルに記録する。
8.ルックアップテーブルが完成するまで負荷インピーダンスのセットを続行する。
9.すべての他の所望の設定値およびシステム構成についてステップ5から8を繰り返す。
10.可変リアクタンスが、Xvar値を計算する代わりに、あるいは計算するのに加えてサイリスタの適用によって得られる場合、対応するサイリスタゲート角度の量は直接的に計算し、記録することができる。
いったんルックアップテーブルが作成されると、以下の方法が炉の運転中に実行される。
1.負荷電流と電圧を測定することにより相ごとの炉負荷インピーダンスを測定する。
2.所望の電流設定値を求める。
3.システム構成に関する情報を取得する。
4.所望の電流設定値およびシステム構成に対応する適切なルックアップテーブルを見つける。
5.負荷インピーダンス値ごとに、対応する量のXvarをルックアップテーブルから読み取る。測定された負荷インピーダンス値がルックアップテーブルの中のインデックス値の間にある場合、補間によってXvarの対応する値を見つける。
6.可変リアクトルの値を計算された値に設定する。
7.ゲート角度が、Xvarの代わりにルックアップテーブルに記憶される場合、読み取られる値は直接ゲート角度となる。そうでない場合、Xvar値はゲート角度に変換される。
以下の表6は、負荷インピーダンスの10の異なるケースに前記方法を適用した例を示している。目標は1030+/−5Aという電流設定値を維持し、34.5kVの電源から動作している三相三線システムによって供給される炉負荷での不平衡電流を最小限に抑えることである。これらの結果は、目標が不平衡補償を含んでいなかった表7と比較できる。このケースでは、Xvarの下限は0であり、不平衡電流はI2に等しい(零相電流は流れることができない)。
表6におけるケース1から5および7においては、不平衡がほぼゼロまで減少される一方で、電流設定値が維持できる。ケース6および8では、設定値は維持できるが、(補償を行わないケースよりも依然として低いが)不平衡はゼロではない。これは、相の少なくとも1つでのXvarで下限に達したためである。
ケース9および10では、すべてのXvar値は、電流を最大限にし、それを設定値に最も近づけるためにゼロに設定される。しかしながら、電流レベルを維持することはさらに高い優先順位を有していたため、これは不平衡電流の規模を無視することを犠牲にして行われる。表6と7の比較から明らかとなるように、可変リアクトルを使用する補償は、電流安定化および通常10%という実質的に改善された許容レベルの範囲内の不平衡値を可能にする。
後述されているのは、インライン可変リアクタンスの独立した制御を使用する、電力設定値が均等ではない三相三線炉負荷相単位電力安定化のための制御方法である。電源電圧の平衡が保たれている場合、設定値が均等ではない相単位の電力安定化は固定値での不平衡電流を維持することとともに三相電力安定化を意味するであろう。
以下の事前計算はオフラインで実行され、結果は参照のために制御システムメモリに記憶される。
1.所望の相単位の電力設定値のセットを考慮する。
2.異なる構成が考えられるシステムインピーダンスのセットを考慮する(例えば、電気炉用変圧器タップの各変化はシステムインピーダンスの変化を構成する)。
3.可変リアクタンスの公知の下限と上限を考慮する。
4.各相の炉負荷インピーダンスの予想範囲を考慮する。
5.各三相電力設定値(3つの相単位の電力設定値の合計)およびシステム構成、ならびに負荷インピーダンスの各セットについて、方程式1を満たす各相のXvarの値を計算し、その対応する電力設定値まで各相電力の偏差を最小限に抑える。この場合各Xvarは上限と下限によって制限される範囲内にある。
6.所望の三相電力設定値を満たすために実現可能な解がステップ5で発見されない場合には、相単位の電力安定化にこだわらずに所望の電力設定値に最も近い値を満たすために、すべてのXvar値をその上限値または下限値に設定する。
7.5または6で得られたXvar値をルックアップテーブルに記録する。
8.ルックアップテーブルが完成するまで負荷インピーダンスのセットを続行する。
9.すべての他の所望の設定値およびシステム構成についてステップ5から8を繰り返す。
10.可変リアクタンスが、Xvar値を計算する代わりに、あるいは計算するのに加えてサイリスタの適用によって得られる場合、対応するサイリスタゲート角度の量は直接的に計算し、記録することができる。
いったんルックアップテーブルが作成されると、以下の方法が炉の運転中に実行される。
1.負荷電流と電圧を測定することにより相ごとの炉負荷インピーダンスを測定する。
2.所望の電力設定値を求める。
3.システム構成に関する情報を取得する。
4.所望の相単位の電力設定値およびシステム構成に対応する適切なルックアップテーブルを見つける。
5.負荷インピーダンス値ごとに、対応する量のXvarをルックアップテーブルから読み取る。測定された負荷インピーダンス値がルックアップテーブルの中のインデックス値の間にある場合、補間によってXvarの対応する値を見つける。
6.可変リアクトルの値を計算された値に設定する。
7.ゲート角度が、Xvar値の代わりにルックアップテーブルに記憶される場合、読み取られる値は直接ゲート角度となる。そうでない場合、Xvar値はゲート角度に変換される。
以下の表8は、負荷インピーダンスの10の異なるケースに前記方法を適用した例を示している。目標は、三相三線システムによって供給される炉負荷のために、18MW、18MWおよび20MW(56MW 三相)という相単位の電力設定値を維持することである。このケースでは、Xvarの下限は0である。
ケース10の例外はあるがすべてのケースでは、三相電力設定値が維持される。ケース3、8および10の例外はあるがすべてのケースにおいて、相単位の電力設定値が達成される。これらのケースの場合にも、逆相電流(I2)の値すべてが67Aに等しくなることに留意する。ケース3と8では、相の少なくとも1つのXvarで下限に達するため、相単位の電力設定値は維持できない。ケース10では、Xvar値すべては、電力を最大限に設定し、それを設定値に最も近づけるためにゼロに設定される。しかしながら、三相電力レベルを維持することには高い優先順位があるため、これは相単位の電力設定値を満たすことを無視することにより行われる。
後述されているのは、インライン可変リアクタンスの独立した制御を使用する、電流設定値が均等ではない三相三線炉負荷相単位電流安定化のための制御方法である。電流安定化は、電流の正相成分を制御することと定義される。
以下の事前計算はオフラインで実行され、結果として生じるルックアップテーブルは参照のために制御システムメモリに記憶される。
1.所望の相単位の電流設定値のセット、IspA、IspBおよびIspCを考慮する。
2.異なる構成が考えられるシステムインピーダンスのセットを考慮する(例えば、電気炉用変圧器タップの各変化はシステムインピーダンスの変化を構成する)。
3.可変リアクタンスの公知の下限と上限を考慮する。
4.各相の炉負荷インピーダンスの予想範囲を考慮する。
5.各三相電流設定値およびシステム構成の各々、および負荷インピーダンスの各セットについて、以下の方程式を満たす各相の値を計算する。ここで、各相のXvar値は上限と下限によって制限される値の範囲内である。
6.所望の三相電力設定値を満たすために実現可能な解がステップ5で発見されない場合には、所望の三相平均電流設定値(IspA +IspB +IspC)/3に最も近い値を満たすために、すべてのXvar値をその上限値または下限値に設定する。
7.5または6で得られたXvar値をルックアップテーブルに記録する。
8.ルックアップテーブルが完成するまで負荷インピーダンスのセットを続行する。
9.すべての他の所望の設定値およびシステム構成についてステップ5から8を繰り返す。
10.可変リアクタンスが、Xvar値を計算する代わりに、あるいは計算するのに加えてサイリスタの適用によって得られる場合、対応するサイリスタゲート角度の量は直接的に計算し、記録することができる。
いったんルックアップテーブルが作成されると、以下の方法が炉の運転中に実行される。
1.負荷電流と電圧を測定することにより相ごとの炉負荷インピーダンスを測定する。
2.所望の電流設定値を求める。
3.システム構成に関する情報を取得する。
4.所望の相単位の電流設定値およびシステム構成に対応する適切なルックアップテーブルを見つける。
5.負荷インピーダンス値ごとに、対応する量のXvar値をルックアップテーブルから読み取る。測定された負荷インピーダンス値がルックアップテーブルの中のインデックス値の間にある場合、補間によってXvarの対応する値を見つける。
6.可変リアクトルの値を計算された値に設定する。
7.ゲート角度が、Xvarの代わりにルックアップテーブルに記憶される場合、読み取られる値は直接ゲート角度となる。そうでない場合、Xvar値はゲート角度に変換される。
表9は、負荷インピーダンスの10の異なるケースに前記方法を適用した例を示している。目標は三相三線システムにより供給される炉負荷のための各々相A、相Bおよび相Cの1065A、1065A、および1072Aという相単位の電流設定値を維持することである。この場合、Xvarの下限値は0である。
ケース6、8、9および10という例外はあるがすべてのケースで、相単位の電流設定値が達成されている。これらのケースの場合、I2の値すべてが72Aになり、すべてのI1値が1099Aになる。ケース6と8では、相の少なくとも1つのXvarで下限値に達したため、相単位の電流設定値は維持できない。しかし、1099Aという平均三相設定値(つまり正相電流)が達成される。
ケース9と10では、すべてのXvar値は平均三相電流を最大限にし、それを設定値に最も近づけるためにゼロに設定されている。しかしながら、三相電流レベルを維持することがさらに高い優先順位を有するため、これは、相単位電流設定値を満たす要件を無視することにより実行される。
ここで図14と図15を参照し、前述された制御方法の一般化されたバージョンが説明される。図14は、多相電気炉における補償の方法のフローチャートである。図15は、該補償の方法で使用するためにルックアップテーブルを作成する方法のフローチャートである。
図14に描かれている補償の方法は、参照番号1400によって示され、ステップ1405で開始し、そこで負荷インピーダンスは相ごとに測定される。ステップ1410では、相ごとの設定値が求められる。設定値は電力、電流、不平衡または炉の安定性および制御の目的に関連した他の設定値であってもよい。ステップ1415では、制御システム構成が決定される。
ステップ1420では、中央制御装置200は、ルックアップテーブルの中の適切な可変リアクタンス値を調べるために、相ごとに測定されたインピーダンス、設定値、およびシステム構成を使用する。したがって、可変リアクタンス値は、すべての相でインピーダンスの関数として求められる。ステップ1425では、可変リアクトルはステップ1420でルックアップテーブルから求められる各々の可変リアクタンス値に、相ごとに設定される。方法1400は、各炉101の中央制御装置200によって、あるいはその監督下で実行される。
図15に描かれているルックアップテーブルを作成する方法は、参考番号1500により示され、設定値の所望のセットが決定されるステップ1505で開始する。ステップ1510では、考えられるシステム構成のセットが決定される。ステップ1515では、可変リアクトルの上限と下限が求められる。ステップ1520では、負荷インピーダンスの変動の予想範囲が相ごとに決定される。
ステップ1525では、各相の可変リアクタンス値が、所与の設定値、システム構成および負荷インピーダンスのために計算される。ステップ1530では、中央制御装置200は、ステップ1525で計算された各相の可変リアクタンス値が実現可能であるか否かをチェックする。例えば、それが可変リアクトルの性能範囲の外にあるために実現可能ではない場合、可変リアクタンス値はステップ1535で適切にその下限または上限(制限)値に設定される。計算された可変リアクタンス値が実現可能である場合は、それはステップ1540でルックアップテーブルに記録される。場合により、可変リアクタンス値は、ステップ1545で対応するサイリスタゲート角度を計算し、記録するために使用されてもよい。
ステップ1550では、中央制御装置200は、可変リアクタンス値がステップ1505から1520で決定されたパラメータのすべての組み合わせについて計算されたか否かをチェックする。パラメータのすべての組み合わせが、可変リアクタンス値を計算するために使用されていない場合、方法は計算の残りを実行し、必要に応じて必要なルックアップテーブルを作成するためにステップ1525に戻る。方法1500は、炉システムがオフラインである間に中央制御装置200によって実行される。方法1500に従って作成されるルックアップテーブルは、次に補償方法1400で使用される。
本発明は、その精神または本質的な特性から逸脱することなく他の特殊な形式で実現されてもよい。本発明の特定の適応および変型は、当業者に自明であろう。したがって、前述の実施形態は例示的であると見なされ、限定的なものとは見なされず、本発明の範囲は前記説明よりむしろ添付請求項によって示されるため、請求項の同等性の意味および範囲内となるすべての変化はその中に包含されることが意図される。
Claims (61)
- 多相電源に結合されている多相電気炉を制御するための制御システムであって、
該多相電気炉の各相と、該多相電源の各々の相の間に結合される可変リアクトルと、
該電気炉の各相の動作特性を監視するため、および少なくとも1つの相の該動作特性が各々の設定値から逸脱しているか否かを判断するために各可変リアクトルに結合される監視手段と、
各可変リアクトルの値を、それが結合される該相の該設定値に従って設定するために各可変リアクトルおよび該監視手段に結合される制御手段であって、少なくとも1つの相の該動作特性が該各々の設定値から逸脱しているという該監視手段による判断に応じて、すべての相の該動作特性に基づいて各々の設定値を達成するために、各可変リアクトルの該値を設定するように構成される制御手段と、
を備える制御システム。 - 該制御手段がルックアップテーブルを含むメモリにアクセスすることができ、該制御手段が該ルックアップテーブルに基づいて該値を設定する請求項1に記載の制御システム。
- 該設定値が電力設定値を含み、該動作特性が電力消費を含む請求項1に記載の制御システム。
- 該監視手段が、該少なくとも1つの相の該電力設定値と、該少なくとも1つの相の該電力消費の間の差異を求め、該制御手段が該差異に基づいて調整された値を選択するためのリアクタンス選択部を含む請求項3に記載の制御システム。
- 該設定値が電流設定値を含み、該動作特性が電流引き出しを含む請求項1に記載の制御システム。
- 該相の1つのための該設定値の少なくとも1つが、該相とは別の相の該設定値とは別の設定値と異なる請求項1に記載の制御システム。
- 該動作特性がインピーダンス特性である請求項1に記載の制御システム。
- 該監視手段および該制御手段を備える中央制御装置をさらに備える請求項1に記載の制御システム。
- 該各々の可変リアクトルの該値を設定するために各可変リアクトルに結合される可変リアクタンスコントローラと、該監視手段を備える中央制御装置であって、各可変リアクタンスコントローラに結合され、各可変リアクタンスコントローラを制御する該中央制御装置とをさらに備える請求項1に記載の制御システム。
- 該多相電気炉が三相電気アーク炉である請求項1に記載の制御システム。
- 各相が関連付けられた可変リアクトルを通して多相電源に結合され、設定値を有する多相電気炉を制御する方法であって、
相ごとに該可変リアクトルの動作特性および値を監視するステップと、
該少なくとも1つの相の該動作特性が該各々の設定値から逸脱しているか否かを判断するステップと、
該少なくとも1つの相の該動作特性が該各々の設定値から逸脱していると、すべての相の該動作特性に基づいて判断されるときに該可変リアクトルの該値を調整するステップと、
を含む方法。 - 該調整するステップが、リアクタンス値を記憶するルックアップテーブルにアクセスすることと、すべての相の該動作特性に基づいて該ルックアップテーブルから該リアクタンス値を読み取ることとを含む請求項11に記載の方法。
- 該設定値が電力設定値を含み、該動作特性が電力消費を含む請求項11に記載の方法。
- 該判断するステップが、該少なくとも1つの相の該電力設定値と、該少なくとも一つの相の該電力消費の間の差異を計算することを含み、該差異に基づいて調整された値を選択することを含む請求項13に記載の方法。
- 該設定値が電流設定値を含み、該動作特性が電流引き出しを含む請求項11に記載の方法。
- 該相のための1つの該設定値の少なくとも1つが、該相とは別の相のための該設定値とは別の設定値と異なる請求項11に記載の方法。
- 該動作特性がインピーダンス特性である請求項11に記載の方法。
- 該多相電気炉が三相電気アーク炉である請求項11に記載の方法。
- 各相が電源に結合されている多相電気炉の不平衡を制御するための制御システムであって、
該相の各々と関連付けられている可変リアクトルであって、その関連負荷と該電源の間に結合される各可変リアクトルと、
各可変リアクトルに結合される制御手段であって、各相の動作特性を監視するため、および該多相電気炉の不平衡値を求めるための不平衡決定部と、所定の程度の不平衡を維持するためにすべての相での該動作特性に基づいて該可変リアクトルを制御するために、該不平衡決定部に応答するリアクタンス調整部とを含む制御手段と、
を備える制御システム。 - 該不平衡決定部が、相電流を測定するための部と、該相電流に基づいて逆相電流値を計算するための部とを含み、該不平衡値が該逆相電流値を含む請求項19に記載の制御システム。
- 該リアクタンス調整部が、該逆相電流値を最小限に抑えるために少なくとも1つの相で必要とされる電流変化を計算するための計算部を含む請求項20に記載の制御システム。
- 該リアクタンス調整部が、該所定の程度の不平衡を維持するために少なくとも1つの相で必要とされる電流変化を計算するための計算部を含む請求項20に記載の制御システム。
- 該動作特性がインピーダンス、電力引き出しまたは電流引き出しを含む請求項19に記載の制御システム。
- 該多相電気炉が三相電気アーク炉である請求項19に記載の制御システム。
- 各相が関連付けられた可変リアクトルを通して電源に結合されている多相電気炉を制御するための方法であって、
各相の動作特性を監視するステップと、
該多相電気炉負荷について不平衡値を求めるステップと、
所定の程度の不平衡を維持するために、該不平衡値およびすべての相での該動作特性に基づいて該可変リアクトルを制御するステップと、
を含む方法。 - 該監視するステップが相電流を測定することを含み、該決定するステップが、該相電流に基づいて逆相電流値を計算することを含み、該不平衡値が該逆相電流値を含む請求項25に記載の方法。
- 該制御するステップが、該逆相電流値を最小限に抑えるために少なくとも1つの相で必要とされる電流変化を計算することを含む請求項26に記載の方法。
- 該制御するステップが、所定の程度の不平衡を維持するために少なくとも1つの相で必要とされる電流変化を計算することを含む請求項26に記載の方法。
- 該動作特性がインピーダンス、電力引き出しまたは電流引き出しを含む請求項25に記載の方法。
- 該多相電気炉が三相電気アーク炉である請求項25に記載の方法。
- 三相電源に結合されている1つ以上の三相負荷の不平衡を制御するための制御システムであって、
各可変リアクトルが該三相負荷と該電源の関連付けられた相との間に結合される、各相と関連付けられる可変リアクトルと、
その関連付けられた相の動作特性を監視するため、および設定値を維持するために該動作特性に応じて該各々の可変リアクトルの値を設定するために、各可変リアクトルと関連付けられる可変リアクタンス制御システムと、
各可変リアクタンス制御システムに結合される中央制御システムであって、
該三相負荷の不平衡値を判断するため、および該可変リアクトルの該値が閾値に達したか否かを判断するための検出部と、
該可変リアクタンス制御システムに制御信号を出力するために、該検出部に対応するオーバーライド部と、
を含む中央制御システムと、
を備え、
該可変リアクタンス制御システムが各々、該可変リアクタンス制御システムがそれに応答して該可変リアクトルを調整する該制御信号を受信するためのインタフェースを含む、
制御システム。 - 該オーバーライド部が、該可変リアクトルごとにオーバーライド設定値を計算するためのオーバーライド計算部を含み、該制御信号が該オーバーライド設定値を含む請求項31に記載の制御システム。
- 該検出部が相電流を測定するための部と、該相電流に基づいて逆相電流値を計算するための部とを含み、該不平衡値が該逆相電流値を含む請求項31に記載の制御システム。
- 該オーバーライド部が、該逆相電流値を最小限に抑えるために少なくとも1つの相で必要とされる電流変化を計算するためのオーバーライド計算部を含む請求項33に記載の制御システム。
- 該オーバーライド部が、所定の不平衡値を維持するために少なくとも1つの相で必要とされる電流変化を計算するためにオーバーライド計算部を含む請求項33に記載の制御システム。
- 該オーバーライド部が、少なくとも1つの相で必要とされる電流変化を計算するためのオーバーライド部を含み、該中央制御システムがルックアップテーブルを記憶するメモリを含み、該オーバーライド部が該ルックアップテーブルから該電流変化を読み取る請求項33に記載の制御システム。
- 該制御信号がオーバーライド持続時間を含む請求項31に記載の制御システム。
- 該1つ以上の三相負荷が少なくとも2つの三相負荷を備え、該検出部が該少なくとも2つの三相負荷の各々について該不平衡値を測定し、該制御信号が、該少なくとも2つの三相負荷の別のものに存在する不平衡を補償するために、該可変リアクタンス制御システムに該少なくとも2つの三相負荷の内の1つを不平衡とするように指示する請求項31に記載の制御システム。
- 該動作特性が電力引き出しを含み、該設定値が電力設定値を含む請求項31に記載の制御システム。
- 該1つ以上の三相負荷が、1つ以上の電気アーク炉を備える請求項31に記載の制御システム。
- 1つ以上の三相負荷の不平衡を制御するための方法であって、各三相負荷が三相電源に結合され、各相が関連付けられた可変リアクトルを通して該三相負荷に結合され、各関連付けられた可変リアクトルが、該相の動作特性を監視するため、および設定値を維持するために該動作特性に応じて該可変リアクトルの値を設定するために対応する可変リアクタンス制御システムに結合され、該中央制御システムが該可変制御システムに結合され、
該中央制御システムで、該三相負荷の不平衡値を計算するステップと、
該不平衡値が所定の閾値を上回るか否かを判断するステップと、
該不平衡値が該閾値を超える場合に、該中央制御システムから該可変リアクタンス制御システムに制御信号を出力するステップと、
該相の少なくとも1つで、該不平衡値を該閾値以下に減少させるために該制御信号に応答して該関連付けられた可変リアクトルを調整するステップと、
を含む方法。 - 該出力するステップが、該可変リアクトルの各々についてオーバーライド設定値を計算することを含み、該制御信号が該オーバーライド設定値を含む請求項41に記載の方法。
- 該計算するステップが相電流を測定することと、該相電流に基づいて逆相電流値を計算することとを含み、該不平衡値が該逆相電流値を含む請求項41に記載の方法。
- 該逆相電流値を最小限に抑えるために少なくとも1つの相で必要とされる電流変化を決定するステップをさらに含み、該制御信号が該電流値を含む請求項43に記載の方法。
- 該中央制御システムがルックアップテーブルを記憶するメモリを含み、電流変化を決定するステップが該ルックアップテーブルから該電流変化を読み取ることを含む請求項44に記載の方法。
- 所定の不平衡値を維持するために少なくとも1つの相で必要とされる電流変化を決定するステップをさらに含み、該制御信号が該電流変化を含む請求項43に記載の方法。
- 該制御信号はオーバーライド持続時間を含む請求項41に記載の方法。
- 該1つ以上の三相負荷が少なくとも2つの三相負荷を備え、該少なくとも2つの三相負荷の各々について該不平衡値を計算することを含み、該制御信号が、該少なくとも2つの三相負荷の別のものに存在する不平衡を補償するために該可変リアクタンス制御システムに該少なくとも2つの三相負荷の内の1つを不平衡にするように指示を出す請求項41に記載の方法。
- 該動作特性が電力を含み、該設定値が電力設定値を含む請求項41に記載の方法。
- 該三相負荷が1つ以上の電気アーク炉を備える請求項41に記載の方法。
- 各相が電源に結合されている多相電気炉を制御するための制御システムであって、
該相の各々と関連付けられる可変リアクトルであって、その関連付けられた負荷と該電源の間に結合される各可変リアクトルと、
各可変リアクトルに結合される制御手段であって、各相の動作特性を監視するための監視部と、各相の所定の設定値を維持するためにすべての相の該動作特性に基づいて該可変リアクトルを制御するための、該監視部に応じたリアクタンス調整部とを含む制御手段と、
を備える制御システム。 - 該設定値が電力設定値を含む請求項51に記載の制御システム。
- 該設定値が電流設定値を備える請求項51に記載の制御システム。
- 該動作特性がインピーダンス特性、電力引き出し、または電流引き出しである請求項51に記載の制御システム。
- 該相の1つのための該設定値の少なくとも1つが該相とは別の相のための該設定値とは別の設定値と異なる請求項51に記載の制御システム。
- 該多相電気炉が三相電気アーク炉である請求項51に記載の制御システム。
- 各相が関連する可変リアクトルを通して電源に結合されている、多相電気炉を制御するための方法であって、
各相の動作特性を監視するステップと、
各相で設定値を維持するためにすべての相で該動作特性に基づいて該可変リアクトルを制御するステップと、
を含む方法。 - 該動作特性がインピーダンス特性、電力引き出しまたは電流引き出しである請求項56に記載の方法。
- 該設定値が電力引き出しまたは電流引き出しを含む請求項56に記載の方法。
- 該相の一つのための該設定値の少なくとも1つが該相とは別の相のための該設定値とは別の設定値と異なる請求項56に記載の方法。
- 該多相電気炉が三相電気アーク炉である請求項56に記載の方法。
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