JP5051345B2

JP5051345B2 - アーク炉用電源装置

Info

Publication number: JP5051345B2
Application number: JP2006303630A
Authority: JP
Inventors: 浩二日野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: JP2008123735A

Description

本発明は、電力変換装置により直流アーク炉やプラズマアーク炉（以下、これらを総称して直流アーク炉というものとする）に直流電力を供給するアーク炉用電源装置に関し、詳しくは、溶融物の状態等に起因してアーク炉内のインピーダンスが変化した場合にもアーク電流をほぼ一定に制御可能としたアーク炉用電源装置に関するものである。

図３は、従来の直流アーク炉用電源装置の基本的な構成図であり、例えば後述する特許文献１に記載されているものである。
以下、この従来技術の構成及び動作を略述する。

まず、電源装置の主回路について説明すると、系統電圧は変圧器１０１により所定の大きさの交流電圧に降圧され、サイリスタからなる整流装置１０２により直流電圧に変換される。この直流電圧の正電位が直流リアクトル１０３を介してアーク炉炉体２０１の炉底電極に、負電位が直流リアクトル１０３を介してアーク炉電極２０２に印加されると、炉体２０１とアーク炉電極２０２との間にアーク電流が流れ、アーク炉電極２０２の先端からアークが発生して炉体２０１内のスクラップ等を溶融させるようになっている。
なお、後述するように２０３は電極昇降制御装置、２０４は電極昇降装置である。

次に、制御回路の構成及び動作を説明する。
整流装置１０２内のスイッチング素子の点孤位相角は、位相角制御装置１０３から出力されるゲート信号により制御され、整流装置１０２から出力されるアーク電流の値を制御する。電流検出器１０４により検出された変圧器１０１の二次側電流は電流変換器１０５にて所定の大きさの電流検出値に変換され、減算器１０６において、予め設定された電流設定値と電流検出値との偏差が求められる。

更に、上記偏差がゼロとなるように、所定の時定数を持つ電流調節器（比例積分器または積分器）１０７が調節動作を行い、その出力が加算器１０８に入力される。
一方、電圧検出器１０９及び電圧変換器１１０を介して検出されたアーク電圧検出値（電圧フィードフォワード量）は前記加算器１０８により電流調節器１０７の出力と加算され、その加算信号が制御信号として位相角制御装置１０３に入力されている。

位相角制御装置１０３は、上記制御信号に基づいて、電流設定値と電流検出値との偏差がゼロとなるような点弧位相角を求め、これをゲート信号として整流装置１０２に出力し、サイリスタの点弧角を制御する。
このように、従来の制御回路では、電流制御系の電流フィードバックループと電圧制御系の電圧フィードフォワードループとを組み合わせることにより、整流装置１０２から出力されるアーク電流の値を制御している。

また、電圧変換器１１０の出力側に接続された電極昇降制御装置２０３は、内部の電圧設定値とアーク電圧検出値との偏差がゼロとなるように電極昇降装置２０４を昇降動作させることにより、アーク炉電極２０２の位置すなわちアークの長さで決まるアーク電圧を制御している。

なお、図４は、図３における電流制御系及び電圧制御系のみを抜き出して示したものである。

ここで、アーク電流Ｉ_ｄとアーク電圧Ｖ_ａｒｃとの間には、図５に示す不安定領域のように、アーク電流Ｉ_ｄが減少するとアーク電圧Ｖ_ａｒｃが急増する特性がある。この領域ではアークの発生状態が不安定であり、アークが消滅する可能性が高い。
一方、直流アーク炉では、スクラップ等の溶融物がその溶融過程で移動（倒壊）することによりアーク炉内のインピーダンスが変化し、これによってアーク電圧−電流特性の瞬間的な変動が発生し易い。このようなアーク電圧−電流特性の急変が図５における不安定領域で発生すると、アークが消滅する恐れがある。

上述したアークの消滅を防止するために、図３の従来技術では、アーク電流の減少に反して増加するアーク電圧検出値を加算器１０８にて電流調節器１０７の出力に加算しており、これにより整流装置１０２の通流角を拡大してアークが消滅する前にできるだけ早くアーク電流を増加させるようにしている。

特開平１０−２９４１７４号公報（段落［０００２］〜［００１０］、図６５等）

さて、図３に示した従来の直流アーク炉用電源装置では、整流装置１０２がサイリスタ等を用いた他励変換装置によって構成されている。
他励変換方式の場合、例えばサイリスタを三相ブリッジ結線して整流装置１０２を構成すると、サイリスタへの点弧信号のパルス幅は「商用周波数÷６＝数〔ｍｓ〕」となり、電流調節器１０７の応答を早くしても数〔ｍｓ〕以下の応答時間を得ることはできない。
このため、電流調節器１０７としては、応答時間（時定数）が数百〔ｍｓ〕程度のものを用いて平均値的制御を行わせ、アーク炉の瞬間的な電圧変動に対しては電流調節器１０７の後段で遅れの小さいアーク電圧検出値を加算することにより、アークの消滅を防いでいた。

しかし、アークの変化速度は一定でなく、アーク炉内の溶融物の状態に応じたインピーダンスの変化によって左右される。
例えば、図６は、アーク電圧Ｖ_ａｒｃ、電流調節器出力及びアーク電流Ｉ_ｄの時間変化を示す図である。同図の時刻ｔ_０以後、溶融物の状態に応じてアーク炉のインピーダンスが電流調節器１０７の時定数と同程度で増加していくと、アーク電流Ｉ_ｄは徐々に減少し、アーク電圧Ｖ_ａｒｃは徐々に増加していく。

この間、アーク電流Ｉ_ｄの減少によるアークの消滅を防止するように、前述した如く電流調節器１０７の出力は徐々に増加する。しかし、インピーダンスの増加に伴ってアーク電流Ｉ_ｄがその後も減少し続けると、時刻ｔ_１において電流調節器１０７の出力は飽和するに至る。
その後、時刻ｔ_２において、溶融物の状態が変化してインピーダンスが急激に減少したとすると、この時点では電流調節器１０７の出力が飽和状態にあり、また、電流調節器１０７は時定数が大きいため、インピーダンスの急激な減少に追従することができず、アーク電流Ｉ_ｄがオーバーシュートすることとなる。

このような動作は、アーク炉内のインピーダンス変化に関わらずアーク電流Ｉ_ｄを一定に保つ制御と相反するものであり、インピーダンスの値によっては過電流による装置停止など、設備や操業への悪影響を招くおそれがあった。

そこで、本発明の解決課題は、アーク炉内のインピーダンス変化に関わらずアーク電流をほぼ一定に制御可能とした直流アーク炉用電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、電力変換装置によりアーク炉に直流電力を供給するアーク炉用電源装置であって、
アーク電流の電流設定値と電流検出値との偏差をゼロにするように動作する電流調節手段と、この電流調節手段の出力を制御信号として前記電力変換装置の半導体素子を駆動することによりアーク電流を制御する手段と、を備えたアーク炉用電源装置において、
前記電力変換装置として自励変換装置を用い、
アーク炉内のインピーダンス変化に伴いアーク電圧検出値が急変して設定値を超えた時に、前記アーク電圧検出値を前記電流調節手段の出力に加算して前記制御信号を補正する制御信号補正手段を備え、
前記制御信号補正手段を、
アーク電圧検出値が入力されるハイパスフィルタ手段と、このハイパスフィルタ手段の出力が前記設定値を超えた時に信号を出力する比較手段と、この比較手段から出力される前記信号によりオンしてアーク電圧検出値を前記電流調節手段の出力に加算するスイッチ手段と、により構成したものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載したアーク炉用電源装置において、前記アーク電圧検出値が増加して前記設定値を超えた時に、前記制御信号補正手段により補正された前記制御信号によってアーク電流を増加させるものである。

本発明によれば、アーク電圧の変化が急激でない場合には、応答時間が短い電流調節器の出力のみから生成した制御信号を用いて自励変換装置に対する電流制御を行い、アーク電圧の変化が急激であって所定の設定値を超えた場合には、アーク電圧検出値を電流調節器の出力に加算して得た制御信号を用いて自励変換装置を制御することにより、アーク炉内の溶融物の状態に関わらずアーク電流をほぼ一定に制御することができる。また、アーク電流のオーバーシュートを抑制して過電流による運転停止など、設備や操業に悪影響が及ぶのを未然に防止することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、本実施形態では、アーク炉に直流電力を供給する電力変換装置として、自励変換装置を用いている。この自励変換装置としては、例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、パワートランジスタのように自己消弧機能を持つ半導体素子によりデバイス転流を行わせる直流チョッパ等が考えられるが、他の構成または転流方式の自励変換装置であっても良い。

上記自励変換装置の制御回路を構成する電流制御系及び電圧制御系は、図１のように構成されている。なお、図１では、図４と同一の構成要素には同一の番号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。
図１において、１０７Ａは電流設定値と電流検出値との偏差が入力される電流調節器であり、応答時間（時定数）が比較的短いものである。便宜的に、この電流調節器１０７Ａを瞬時ＡＣＲともいう。

電流調節器１０７Ａはその入力偏差をゼロとするように調節動作するものであり、従来と同様に電流制御系を構成している。
また、電流調節器１０７Ａの出力は加算器１０８に入力されていると共に、この加算器１０８には、スイッチ１１１を介してアーク電圧検出値も入力されている。更に、アーク電圧検出値は、ハイパスフィルタ１１２を介して比較器１１３に入力されており、比較器１１３では、ハイパスフィルタ１１２を経たアーク電圧検出値が設定値を超えた場合にオン信号を出力し、このオン信号によって前記スイッチ１１１をオンするように構成されている。
ここで、加算器１０８、スイッチ１１１、ハイパスフィルタ１１２及び比較器１１３は、
制御信号補正手段１１４を構成している。

次に、この実施形態の動作を説明する。
図２は、本実施形態におけるアーク電圧Ｖ_ａｒｃ、電流調節器出力及びアーク電流Ｉ_ｄの時間変化を実線によって示した図であり、従来技術におけるアーク電圧Ｖ_ａｒｃ及びアーク電流Ｉ_ｄも一点鎖線にて示してある。

図２の時刻ｔ_１０において、アーク炉内の溶融物の状態に応じてアーク炉のインピーダンスが変化したとしても、その変化が急激なものでない限り、時定数の短い電流調節器１０７Ａがアーク電流Ｉ_ｄの変化に追従して瞬時に動作することにより、時刻ｔ_１０以後、アーク電流Ｉ_ｄ及びアーク電圧Ｖ_ａｒｃはほぼ一定に保たれる。

その後、時刻ｔ_１１において、溶融物の状態が変化してインピーダンスが急激に増加すると、アーク電圧Ｖ_ａｒｃも急激に増加する。このアーク電圧Ｖ_ａｒｃの急変は図１のハイパスフィルタ１１２により抽出され、後段の比較器１１３において設定値を超えた時点で比較器１１３からオン信号が出力される。これにより、スイッチ１１１がオンして加算器１０８にはアーク電圧検出値が入力されるため、電流調節器１０７Ａの出力とアーク電圧検出値との加算値が制御信号として出力される。

上記制御信号は、自励変換装置の半導体素子を駆動するための駆動信号（ゲート信号やベース信号）の生成に用いられるが、直流アーク炉用の電力変換装置として、サイリスタ整流装置のように点弧信号のパルス幅が制約される他励変換装置ではなく、チョッパ等の自励変換装置を用いることにより、上記制御信号に従って自励変換装置による高速応答の電流制御を行うことができる。

図２において、時刻ｔ_１１以後はアーク電流Ｉ_ｄが減少すると共にアーク電圧Ｖ_ａｒｃが急激に増加するが、アーク電圧Ｖ_ａｒｃが時刻ｔ_１２において比較器１１３の設定値を超えれば、それ以後は、アーク電圧検出値を電流調節器１０７Ａの出力に加算して得た制御信号を用いて自励変換装置の半導体素子をスイッチングすることでアーク電流Ｉ_ｄを増加させることができ、時刻ｔ_１２以後はアーク電圧Ｖ_ａｒｃが低下していくことになる。
この間、図示するように電流調節器１０７Ａの出力は一時的に飽和するが、アーク電圧Ｖ_ａｒｃの急激な低下に伴ってアーク炉内のインピーダンスが復帰した後、電流調節器１０７Ａの小さな時定数によって時刻ｔ_１３で飽和が解けるため、アーク電流Ｉ_ｄのオーバーシュートも小さくなる。

以上のように、本実施形態によれば、アーク電圧が変化したとしてもその変化が急激でない場合には、応答が早い電流調節器１０７Ａの出力のみを制御信号に用いて電流制御を行い、アーク電圧の変化が急激な場合（例えばアーク電圧が急増した場合）にはハイパスフィルタ１１２、比較器１１３及びスイッチ１１１の動作によりアーク電圧検出値を電流調節器１０７Ａの出力に加算して得た制御信号を用いてアーク電流を増加させるような制御が行われるため、アーク炉内の溶融物の状態、言い換えればアーク炉内のインピーダンスに依存することなくアーク電流Ｉ_ｄをほぼ一定に制御することができる。また、アーク電流Ｉ_ｄのオーバーシュートを抑制できるので、過電流による運転停止など、設備や操業への悪影響を招く恐れもない。

なお、チョッパを用いたゴミ焼却灰溶融炉用電源装置が特開２００１−２０１０２１号公報に記載されている。この従来技術に係る電源装置は、チョッパを構成するスイッチング素子のスイッチング期間を制御してアークを安定させるものであるが、本発明のごとく、アーク電圧急変時にアーク電圧検出値によるフィードフォワード制御を電流フィードバック制御と組み合わせる構成は何ら開示されていない。
また、チョッパを用いたアーク炉用電源装置が特開２００３−２１９６４９号公報に記載されている。しかし、この従来技術に係る電源装置の解決課題は、入力電圧の瞬時停止が発生した場合でもアーク電流をある程度持続させることにあって本発明の解決課題と相違しており、上述したフィードフォワード制御手段も何ら開示されていないものである。

本発明の実施形態の主要部を示す構成図である。本発明の実施形態による、アーク電圧、電流調節器出力及びアーク電流の時間変化を示す図である。従来の直流アーク炉用電源装置の基本的な構成図である。図３の主要部を示す構成図である。アーク電流とアーク電圧との関係を示す図である。アーク電圧、電流調節器出力及びアーク電流の時間変化を示す図である。

符号の説明

１０６，１０８：加算器
１０７Ａ：電流調節器
１１１：スイッチ
１１２：ハイパスフィルタ
１１３：比較器
１１４：制御信号補正手段

Claims

電力変換装置によりアーク炉に直流電力を供給するアーク炉用電源装置であって、
アーク電流の電流設定値と電流検出値との偏差をゼロにするように動作する電流調節手段と、この電流調節手段の出力を制御信号として前記電力変換装置の半導体素子を駆動することによりアーク電流を制御する手段と、を備えたアーク炉用電源装置において、
前記電力変換装置として自励変換装置を用い、
アーク炉内のインピーダンス変化に伴いアーク電圧検出値が急変して設定値を超えた時に、前記アーク電圧検出値を前記電流調節手段の出力に加算して前記制御信号を補正する制御信号補正手段を備え、
前記制御信号補正手段を、
アーク電圧検出値が入力されるハイパスフィルタ手段と、このハイパスフィルタ手段の出力が前記設定値を超えた時に信号を出力する比較手段と、この比較手段から出力される前記信号によりオンしてアーク電圧検出値を前記電流調節手段の出力に加算するスイッチ手段と、により構成したことを特徴とするアーク炉用電源装置。
請求項１に記載したアーク炉用電源装置において、
前記アーク電圧検出値が増加して前記設定値を超えた時に、前記制御信号補正手段により補正された前記制御信号によってアーク電流を増加させることを特徴とするアーク炉用電源装置。