JP3836435B2 - Acアーク炉用の電力制御システム - Google Patents
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Description
(a)必要な作動電圧を計算し;
(b)各タップに対応する所定の(すなわち、ネームプレート)電圧値に基づいて適切な変圧器電圧タップを計算し;
(c)変圧器タップを、計算されたタップに移動させる(負荷時または無負荷時のいずれか)。
タップ設定コントローラ46は、タップ切換器の移動が過度にならないようにするチェックルーチンを有していてもよい。典型的に、タップ設定コントローラは、必要な作動電圧を決定するために、所望の電極電流または所望の電極インピーダンスの入力を必要とする。3電極アーク炉の場合、所望の電力設定値に加えて所望の電極電流が供給されると、以下の方程式にしたがって作動電圧を決定することができる:
A=I2Xp 2/(Vp 4)
B=2I2XpXs/(Vp 2)−1
C=P2/(9I2)+I2Xs 2
V=必要な作動電圧(炉変圧器の二次線間電圧)
I=所望の電極電流(炉変圧器二次位相電流)
Xp=炉変圧器リアクタンスを含む、炉変圧器から無限バスまでの全一次リアクタンス
Xs=炉変圧器から炉容器内の溶融槽までのシステムの全二次リアクタンス
P=所望の電力設定値
Vp=公称一次線間電圧
電極電流Iの代わりに所望の電極インピーダンスZが与えられると、3電極炉の場合、以下のように電極電流Iを決定することができる:
a)所定のインクリメントで炉側のリアクタンス(XL)および抵抗(RL)において起こり得る値を決定し;
b)分路インダクタ20およびシステム電源電圧における設計値に基づいて、炉側のリアクタンス(XL)および抵抗(RL)において起こり得る各値に関し、0〜180度の各サイリスタゲート角度毎に定常状態負荷電流波形を計算し;
c)各定常状態負荷電流毎に電流基本周波数成分を計算するとともに、基本電流に対するシステム電源電圧の比をとることにより、全基本リアクタンスを計算し;
d)計算された全基本リアクタンス毎に、全基本リアクタンスから炉側リアクタンス(XL)を差し引くことにより、可変リアクトルの所要リアクタンス値(XREQ)を決定し;
e)所要リアクタンス値(XREQ)、炉側リアクタンス(XL)、炉側抵抗(RL)の考えられる組み合わせのそれぞれに関して所要ゲート角度を決定できるように、結果を表にする。
Control Error = kI*I−kV*V 式(3)
式中、
Vは、変圧器58を通じて測定された中立に対する電極の電圧であり;
kIおよびkVは、予め計算されて参照表に記憶された電流および電圧のスケーリング定数である。これらは、変圧器のタップ位置にしたがって、参照表中においてインデックスが付されている。
Iは、対象のアーク炉における通常の作動電極電流のそれに近い予め決められた定数である。
VOLTAGEモードにおいて、制御エラーの式は、各電極毎に測定される電圧を使用して、3つのすべての電極12に関して適用される。測定された電極電流値ではなく所定の電流定数をIにおいて使用して制御エラーを決定することにより、電極位置コントローラは、電極高さ調整を通じてアーク電圧を直ちに安定させる。
Control Error = kI*I−kV*V 式(4)
式中、
Vは、変圧器58を通じて測定された中立に対する電極の電圧であり;
kIおよびkVは、前述したゲイン定数であり;
Iは、変圧器60を通じて測定された電極電流である。
IMPEDANCEモードにおいて、設定インピーダンス値から変化したプロセスインピーダンスを持つ電極を個々に調整すると、アークにわたるチャージカバーの乱れを低減する。VおよびIに関する値は、二次側変圧器58、60によって測定されるよりはむしろ、一次側変圧器32、34によりそれぞれ取得される測定値から、適切な炉変圧器巻数比にしたがってそのような一次側測定値を調整することにより、得ることができる。
I2=1/3(Ia+a2Ib+aIc)
ここで、
a=−0.5+j0.866;
I2=負のシーケンス電流
Ia=位相aの電流ベクトル
Ib=位相bの電流ベクトル
Ic=位相cの電流ベクトルである。
負のシーケンス電流の値が、所定時間の間、閾値レベルを超えた状態で維持されると、CURRENTモードが選択される。電流バランス状態異常が是正されると、IMPEDANCEモードに戻る。CURRENTモードの選択時、モード決定モジュール50は、電極12の移動を制御して電流のアンバランスを低減するために電極位置計算モジュール52に供給する電流モード制御エラーの式を決定する。好ましい実施態様において、電流モード制御エラーの式は、以下のとおりである:
Control Error = kI*I−kV*V 式(5)
式中、
Iは、変圧器60を通じて測定された電極電流であり;
kIおよびkVは、前述した電極および電圧スケーリング定数であり;
Vは、対象のアーク炉における通常の作動電極電圧のそれに近い予め決められた定数である。
CURRENTモードにおいて、制御エラーの式は、各電極毎に測定される電流を使用して、3つのすべての電極12に関して適用される。測定された電圧値よりはむしろ所定の電圧定数Vを使用して制御エラーを決定することにより、電極位置コントローラは、電極高さ調整を通じて電極電流を直ちに釣合わせることに集中する。電流モード制御エラーの式(5)および電圧モード制御エラーの式(3)は、測定電圧Vを電流モードの式の場合の定数と置き換え、測定電流Iを電圧モードの式の場合の定数と置き換えると、インピーダンスモード制御エラーの式(4)と同じであることが分かる。
アーク長=(V−I*Rslaq−V0)/E0
ここで、
Vは、中立に対する電極の電圧であり;
Iは、電極電流であり;
Rslaqは、先端が熱浴表面に接触する時の電極の抵抗であり;
V0は、電圧降下を示す定数であり;
E0は、アーク電場(ボルト/cm)を示す定数である。
実際に、アーク長計算は、前述した変数の他、他の炉作動変数によって決まる可能性がある。本実施態様において、制御エラーは、半周期毎に測定される、炉の作動特性に基づいて、半分のパワーサイクル毎に積算される。しかしながら、本発明の電極高さ調節器により、頻度の少ない積算間隔およびサンプリング間隔を使用できる。
(i)炉が作動している間に行ない
(ii)各電極電流を連続的にサンプリングし、
(iii)減少する電流の変化率が予め設定された限界値を超えている場合、また、電極電流がk×(設定値)よりも小さい場合には、
(iv)全速力でマスター下降を開始するとともにサイリスタをゲートコントロールし、
(v)電極電流が設定値まで回復した場合、または、電極電圧が0の場合、
(vi)電極調整をモード決定モジュール50に戻し、サイリスタ調整をリアクトルコントローラ28に戻し、
(vii)終了する。
擬似コードのステップ(i)(ii)に示されるように、アーク炉が作動している間、アーク損失予測アルゴリズムモジュール56は、各電極に対応する変流器60によって各電極電流を監視する。ステップ(iii)に示されるように、電流が減少している場合、その変化率がチェックされ、変化率が所定の閾値を超えているか否かが分かる。所定の閾値は、対象の炉の特性に基づいて選択され、特に、アークの差し迫った損失を示すものとして知られている値となるように選択される。ステップ(iii)においては、電極電流もチェックされ、電極電流が電流設定値の所定のパーセンテージよりも下回っているか否かが分かる(電流設定値は、電力設定値および変圧器電圧タップ設定に基づいて決定される)。ステップ(iii)において2つの試験条件が存在する場合、モジュール56は、ステップ(iv)にあるように、炉作動状態が差し迫ったアーク損失の前兆であるという結論を下すとともに、電極を下降させるように電極位置計算モジュール52に指示し、かつサイリスタ22を完全にONするようにリアクトルコントローラ28に指示することにより、アーク損失を回避するための手段を講じるという結論を下す。ステップ(v)に示されるように、これらのアーク損失回避手段は、(a)対象の電極電流が設定値(アーク損失が防止されることを示す設定値、または、アーク損失が生じた場合には、アークが回復される)に回復するまで、あるいは、(b)電極電圧が0(電極の先端が炉容器の溶融槽と接触することを示す)になるまで維持される。ステップ(v)の後、ステップ(vi)にあるように、アーク損失予測モジュール56は、電極調整制御を元のモード決定モジュール50に引き渡すとともに、可変リアクトル16の制御を元のリアクトルコントローラ28に引き渡す。これにより、一般に、電極がいく分上昇し、可変リアクタンス16が大きくなり、これによりアークの再点火に基づいて生じ得る実際的な電力の変動が低減される。
− 必要な炉変圧器電圧タップを選択して炉電力設定値と一致させ、
− 可変リアクトルを連続的に調節して、半周期で、あるいは周期毎を基本に電力の変動を調整することにより、電極インピーダンスの変化に対抗し、
− 高速電極下降を結果として生じる予測電極調整により電力(出力)降下を軽減し、これにより、電極アークが消失することを防止して、サイリスタ制御および同時電極上昇を用いてアーク再点火に伴う実際的な電力の変動を制御する、
ように機能する。
Claims (29)
- アーク電極に有効AC電力を供給するためのAC電源を有するACアーク炉用の電力制御システムであって、
AC電源と前記電極との中間に設けられた可変リアクタンスと、
前記電極の高さを調整して前記電極のアーク長を制御するアーク電極移動装置と、
前記電極移動装置の動作を制御する電極位置コントローラと、
前記電極のインピーダンスを監視するとともに、監視された前記電極インピーダンスの変化に応じて前記可変リアクタンスを変化させることにより、前記電極に供給される前記有効AC電力の変動を低減する可変リアクトルコントローラと、
を含み、
前記可変リアクトルコントローラが、
前記電極インピーダンスを計算するインピーダンス計算モジュールと、
前記計算された前記電極インピーダンスに基づいて所要リアクタンスを計算するためのリアクタンス計算モジュールと
を有し、
前記可変リアクタンスを前記計算されたリアクタンスに合わせる前記可変リアクトルコントローラであることを特徴とする電力制御システム。
- 可変リアクトルコントローラが、監視された前記電極インピーダンスに応じて、結果的に電極によって引き出される所定の有効電力となる可変リアクトルのリアクタンス値を周期的に決定するとともに、可変リアクタンスを決定されたリアクタンス値に調整するように構成される、請求項1に記載の電力制御システム。
- ワーク材料の量に応じて前記炉の必要とされる電力量の決定に基づいて所定の有効電力を引出す請求項2に記載の電力制御システム。
- 可変リアクトルコントローラが、リアクタンス値を決定するとともに、ACパワーサイクル毎に少なくとも1回、決定されたリアクタンス値と一致するように可変リアクタンスを調整するように構成される、請求項2に記載の電力制御システム。
- 可変リアクトルコントローラが、リアクタンス値を決定するとともに、半ACパワーサイクル毎に少なくとも1回、決定されたリアクタンス値と一致するように可変リアクタンスを調整するように構成される、請求項2に記載の電力制御システム。
- 可変リアクタンスが、サイリスタ制御されるインダクタを含む、請求項1に記載の電力制御システム。
- 電源と前記電極との中間に設けられた固定リアクトルを含む、請求項6に記載の電力制御システム。
- 前記電極位置コントローラは、電極移動装置の動作を制御するとともに、炉の動作特性を監視して、監視された動作特性に基づいて電極の移動を制御する複数の異なる作動モードから選択するような構成である請求項1に記載の電力制御システム。
- 電極位置コントローラが、監視された動作特性を、電極がワーク材料から大きく上側に離れて配置される異常状態を示す所定の値と比較するとともに、電極高さを調整して異常状態を解消する、請求項8に記載の電力制御システム。
- 電極位置コントローラが、電極によって形成されるアークの長さを周期的に計算するとともに、電極移動装置により計算されたアークの長さを超えて電極が移動することを防止するように電極の移動速度を下げる、請求項8に記載の電力制御システム。
- 炉の動作特性を監視するとともに、監視された特性を所定の特性と比較して、電極で起こり得るアーク損失の兆候を予測し、電極移動装置により電極を急速に下降させ、可変リアクトルコントローラにより可変リアクタンスの大きさを一時的に下げてアーク損失を防止する電極位置コントローラを含む、請求項1に記載の電力制御システム。
- 3つの各アーク電極に三相電力を供給するための三相AC電源と、電源の各位相と3つの電極との中間に接続された各可変リアクタンスと、
前記電極の高さを調整して前記電極のアーク長を制御するアーク電極移動装置と、
前記電極移動装置の動作を制御する電極位置コントローラと、
前記電極のインピーダンスを監視するとともに、監視された前記電極インピーダンスの変化に応じて前記可変リアクタンスを変化させることにより、前記電極に供給される有効AC電力の変動を低減する可変リアクトルコントローラと、
を有するアーク炉を制御する方法であって、
前記可変リアクトルコントローラが、
a)3つの各位相毎に、各前記電極インピーダンスを監視するステップと、
b)3つの各電力位相毎に、監視された前記電極インピーダンスに基づいて、所要リアクタンスを計算するステップと、
c)前記可変リアクタンスのインダクタンスを前記所要リアクタンスに調整して、各前記電極インピーダンスの変化に対して補償することにより、電源から引き出される有効電力の変動を低減するステップと
を有することを特徴とするアーク炉を制御する方法。
- 前記ステップ(c)が、各電力位相毎に、各電極インピーダンスの変化を考慮して所定の有力電力消費量レベルを維持するために必要なインダクタンスを決定し、これにより、各可変リアクタンスを調整することを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記ステップ(a)および(c)が、各電力位相で、AC電力位相周期毎に少なくとも1回行なわれる、請求項12または請求項13に記載の方法。
- d)各電極電流を監視して、監視された電流が各電極におけるアーク損失の前兆となる特徴を示しているか否かを判断し、アーク損失を防止するために各電極を下降させて、各可変リアクトルのインダクタンスを下げるステップを有する、請求項12または請求項13に記載の方法。
- アーク炉が3つの各電極対に対して三相電力を供給し、可変リアクタンスが、電源の各位相と3つの電極対との中間に接続され、各電極インピーダンスが各電極対のインピーダンスである請求項12に記載の方法。
- 電力制御システムが、三相電源と、3つのアーク電極と、ワーク材料を受けるための炉容器を有するACアーク炉用のシステムであって、
容器内、かつ容器から離間して電極のアーク端部が配置され、それにより電源から電極へ電力を供給すると、ワーク材料を加工するために電極アークがそれぞれ各電極から発生し、電力制御システムが、
三相電源の各位相に接続された3つの可変リアクタンスと、
一次巻線および二次巻線と、変圧比率を調整するためのタップとを有し、一次巻線が3つの可変リアクタンスに接続され、二次巻線が3つのアーク電極に接続された炉変圧器と、
炉容器に対する電極の高さを調整するための電極移動装置と、
i)炉の予想電力消費量を所定の電力消費量に一致させるように変圧器のタップを設定し、
ii)炉の動作中に、炉の有効電力消費量を示す炉の動作特性を監視して、可変リアクタンスおよび電極高さを調整し、所定の電力消費量に対する有効電力消費量の変化を最小限に抑える、
可変リアクトルコントローラを含むACアーク炉用である請求項1に記載の電力制御システム。
- 可変リアクトルが、各AC電力位相周期毎に少なくとも1回調整される、請求項1〜3、5〜11および17のいずれか一項に記載の電力制御システムのアーク炉。
- 炉変圧器が3つの単相変圧器を含み、各単相変圧器が、3つの可変リアクタンスのうちの1つに接続された一次巻線を有し、かつ、各単相変圧器の二次巻線に接続された一対のアーク電極を含む、請求項17に記載の電力制御システムのアーク炉。
- アーク電極に電力を供給するためのAC電源を有するACアーク炉用の電力制御システムであって、
前記AC電源と前記電極との中間に設けられた可変リアクタンスと、
前記電極の高さを調整して前記電極のアーク長を制御するアーク電極移動装置と、
前記電極移動装置の動作を制御する電極位置コントローラと、
前記電極のインピーダンスを監視するとともに、監視された前記電極インピーダンスの変化に応じて前記可変リアクタンスを変化させることにより、前記電極に供給される有効AC電力の変動を低減する可変リアクトルコントローラと、
を含み、
前記電極位置コントローラが、電極移動装置の動作を制御するとともに、アーク炉の動作特性を監視して複数の異常状態の兆候を予測し、また、特定の予測された異常状態に応じて電極高さを調整する電極位置コントローラであることを特徴とする電力制御システム。
- 電極位置コントローラが、電極の移動およびアーク長を監視し、かつ、そのアーク長を超えて電極が移動する又は移動したと判断すると、電極移動装置を介して電極の移動速度を下げるように構成される、請求項20に記載の電力制御システム。
- 電極位置コントローラが、電極のインピーダンスを監視するとともに、監視されたインピーダンスが閾値から所定量変化した異常状態を検出し、監視されたインピーダンスが閾値の所定の範囲内に調整されるように電極高さを調整するように構成される、請求項20に記載の電力制御システム。
- 炉が、3つの各電極に電力を供給するための三相電源を有し、電極が、アーク電極移動装置によって個別に移動可能であり、電極位置コントローラが、各電力位相毎に各電極のインピーダンスを監視するとともに、電極のインピーダンスを所定のレベルに調整できるように各電力位相毎に各電極を個別に移動させるように構成される、請求項22に記載の電力制御システム。
- 電極位置コントローラが、監視された動作特性が、電極が炉内のワーク材料から大きく上側に離れて配置されていることを示す場合に、異なる異常状態を検出し、電極の高さを許容可能なレベルまで下降調整する、請求項22に記載の電力制御システム。
- 炉が、アーク電極移動装置によって移動可能な3つの各電極に電力を供給するための三相電源を有し、電極位置コントローラが、各電極の電流を監視するとともに、監視された電極電流間の差が所定の閾値を超える際に異なる異常状態を検出し、監視された電極間の差が所定の範囲内となるように電極の高さを調整するように構成される、請求項22に記載の電力制御システム。
- アーク電極に電力を供給するためのAC電源と、前記電源と前記電極との中間に接続された可変リアクタンスと、炉容器に対する前記電極の高さを調整するための電極移動システムとを有するACアーク炉を制御するための方法において、
前記電極の高さを調整して前記電極のアーク長を制御するアーク電極移動装置と、
前記電極移動装置の動作を制御する電極位置コントローラと、
前記可変リアクタンスの前記電極のインピーダンスを監視するとともに、前記監視された前記電極インピーダンスの変化に応じて前記可変リアクタンスを変化させることにより、前記電極に供給される有効AC電力の変動を低減する可変リアクトルコントローラと、
を有するACアーク炉を制御するための方法であって、
前記電極位置コントローラが、
a)前記電極に供給される電流を監視するステップと、
b)前記監視された電流の大きさが所定の速度閾値を超える速度で減少し、前記監視された電流の大きさが所定の値を下回った場合に、前記電極を下降させて、前記可変リアクタンスを下げるステップを成すことを特徴とする方法。 - 前記ステップ(b)に引き続きステップ(c)が、可変リアクタンスの値を上げて、電極の電離が回復した際の実際的な電力の変動を低減するステップである請求項26に記載の方法。
- タップ付き炉変圧器を前記可変リアクタンスと前記電極の間にさらに配置する前記請求項1乃至11あるいは前記請求項20乃至25のいずれか一つに記載の電力制御システム。
- 可変リアクタンスがサイリスタ制御されるインダクタを含む前記請求項20乃至25のいずれか一つに記載の電力制御システム。
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