JP6472054B2 - 無効電力補償装置および制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、製鋼用のアーク炉において発生する電圧フリッカに対し、フリッカ補償制御を行う無効電力補償装置および制御装置に関する。

製鋼用のアーク炉では、負荷が急峻に変動することから、無効電力の変動などにより、電圧フリッカが発生する。アーク炉等を設置しているプラントや事業所等では、電力会社が定めた電圧フリッカの規制値以内に電圧フリッカを抑制する必要があるため、電圧フリッカ抑制用として無効電力補償装置が電力系統に連系される。

図３に示すように、従来のアーク炉のシステムでは、電力系統１に連系される炉用変圧器４に流れるアーク炉の電流を変成器３で検出し、母線１０１の電圧を計器用変圧器２で検出し、これらが無効電力補償装置１１０に入力される。そして、フリッカ補償制御回路２８を含む制御盤１２０によって、母線１０１の電圧値およびアーク炉の電流値にもとづいて、電圧フリッカの抑制に必要な制御量が算出される。計算された制御量は、フリッカ補償装置３０に供給され、フリッカ補償装置３０は、適切な無効電力を注入する。

製鋼用のアーク炉では、スクラップ６の溶解末期や精錬期など操業の後半においては、アーク放電が安定するために負荷があまり変動しない。そのため、電圧フリッカの発生量は少なくなる。一方、このような期間では、操業力率は悪化することが多く、母線１０１の電圧は降下し、皮相電力の増大にともない損失も増加する。また、受電点の力率が低下することによって、電力会社との力率に関する契約上、電力コストが悪化するおそれがある。

特開平１０−２０１１０１号公報

実施形態は、電圧フリッカの発生量が小さいときにはフリッカ補償制御を停止させ、力率改善制御へ切り替えることによって、受電点の力率およびアーク炉の投入電力を改善させ、電力コスト削減ができる無効電力補償装置および制御装置を提供する。

実施形態に係る無効電力補償装置は、電極とスクラップとの間に発生させたアーク放電によって前記スクラップを溶解するアーク炉に投入される電力を補償する。無効電力補償装置は、前記電極に電力を供給する母線の電圧および前記母線から前記電極に流れる電流にもとづいて、フリッカ補償制御のための第１制御信号または力率改善制御のための第２制御信号を生成し出力する制御装置と、前記第１制御信号または前記第２制御信号にもとづいて補償電力を前記母線に注入するフリッカ補償装置と、を備える。前記制御装置は、前記電極の昇降によって前記電極が移動した距離を演算する第１演算部と、前記移動距離の時間変化を演算する第２演算部と、前記移動距離の時間変化と、あらかじめ設定されたしきい値とを比較する比較部と、前記移動距離の時間変化が前記しきい値を下回ったときに、前記第１制御信号を前記第２制御信号に切り替えて前記フリッカ補償装置に供給する切替部と、を含む。

本実施形態では、電極の移動速度が低下して所定のしきい値を下回ったときに、フリッカ補償制御から力率改善制御に制御信号を切り替えてフリッカ補償装置を動作させるので、母線の力率およびアーク炉への投入電力を改善させ、電力コスト削減ができる。

実施形態に係る無効電力補償装置を例示するブロック図である。 実施形態の無効電力補償装置の動作を説明するためのフローチャートである。 従来の無効電力補償装置を例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、本実施形態に係る無効電力補償装置を例示するブロック図である。
図２は、本実施形態の無効電力補償装置の動作を説明するためのフローチャートである。
本実施形態の無効電力補償装置１０は、補償すべき電力を母線１０１に注入して、アーク炉によって発生している母線１０１の電圧フリッカを低減する。無効電力補償装置１０は、アーク炉の溶解末期等の負荷変動が小さくなったときに、進み無効電流を注入して力率を改善する。

図１に示すように、本実施形態の無効電力補償装置１０は、アーク炉において用いられる。アーク炉では、電極７は、炉用変圧器４を介して母線１０１に接続されている。電極７は、炉体８に装入されたスクラップ６から上方に離間して配置されている。電極７は、固定されている炉体８に装入されているスクラップ６との間でアーク放電を発生する。電極７は、このアーク放電を維持するように、電極昇降機構４６を介して電極昇降用電動機４４によってスクラップ６に対して上下に昇降される。なお、電極昇降用電動機４４は、図示しない速度制御装置等によって速度制御され駆動される。

電極７の昇降動作は、電極７とスクラップ６との間のインピーダンスが一定になるように制御される。インピーダンスの変動、すなわち電極７の昇降動作の激しさは、スクラップ６の溶解の段階によって変化する。溶解の段階の初期、中期等においては、インピーダンスの変動が大きいために、電極７は、激しく昇降動作する。スクラップ６の溶解の後半では、アーク放電が安定するため、電極７の昇降動作はほとんど停止する。

電極７の昇降動作がほとんど停止する溶解の段階の後半では、力率が低下する。

無効電力補償装置１０は、フリッカ補償装置制御盤２０と、フリッカ補償装置３０と、を備える。

フリッカ補償装置制御盤２０は、母線１０１の電圧のデータおよび電極７に流れる電流のデータにもとづいて、フリッカ補償装置３０に制御信号を供給する。制御信号は、フリッカ補償制御を行うためのフリッカ補償制御信号、または、力率改善制御を行うための進み補償制御信号のいずれかが選択されて出力される。フリッカ補償装置３０は、フリッカ補償制御信号または進み補償制御信号のいずれかにもとづいて、補償すべき無効電力等を生成し、生成した適切な無効電力等を電力系統１に注入する。

フリッカ補償装置制御盤２０は、電極移動距離演算回路２１と、微分回路２２と、比較回路２３と、タイマ回路２４と、選択回路２５と、切替回路２６と、力率改善制御回路２７と、フリッカ補償制御回路２８と、を含む。

電極移動距離演算回路２１は、電極昇降電動機回転数検出回路４２の出力に接続されている。電極昇降電動機回転数検出回路４２は、電極昇降用電動機４４に接続されており、電極昇降用電動機４４の回転数のデータを出力する。電極移動距離演算回路２１は、電極昇降用電動機４４が出力する回転数のデータにもとづいて、電極７の移動距離を計算して出力する。

微分回路２２は、電極移動距離演算回路２１の出力に接続されている。微分回路２２は、電極移動距離演算回路２１が出力する電極７の単位時間あたりの移動距離、すなわち電極７の移動速度ｖｅを計算する。

比較回路２３は、微分回路２２の出力に接続されている。比較回路２３は、微分回路２２が出力する電極７の移動速度ｖｅと、あらかじめ設定されたしきい値ｖｔｈとを比較する。比較回路２３の一方の出力Ｙは、タイマ回路２４を介して選択回路２５に接続され、他方の出力Ｎは、選択回路２５に直接接続されている。比較回路２３は、電極７の移動速度ｖｅがしきい値ｖｔｈよりも大きい場合には、出力Ｙによって選択回路２５に対してフリッカ補償制御回路２８を選択するように指令する。比較回路２３は、電極７の移動速度ｖｅがしきい値ｖｔｈ以下の場合には、出力Ｎによって選択回路２５に対して力率改善制御回路２７を選択するように指令する。

タイマ回路２４は、比較回路２３によって、電極７の移動速度ｖｅがしきい値ｖｔｈ以下となった場合に、スクラップ６の溶解末期や精錬期であるか否かを判定する。あらかじめ設定されたタイムアウト時間を超えて、電極７の移動速度ｖｅがしきい値ｖｔｈを下回ったことを判定することによって、タイマ回路２４は、アーク炉が溶解末期等であると判断し、選択回路２５へ出力Ｙを送信する。

力率改善制御回路２７は、補助変圧器２の出力および変成器３の出力に接続されており、母線１０１の電圧のデータおよび電極７に流れる電流のデータを入力する。力率改善制御回路２７は、母線１０１の電圧のデータおよび電極７に流れる電流のデータにもとづいて、進み補償制御信号を出力する。

フリッカ補償制御回路２８は、補助変圧器２の出力および変成器３の出力に接続されており、母線１０１の電圧のデータおよび電極７に流れる電流のデータを入力する。フリッカ補償制御回路２８は、母線１０１の電圧のデータおよび電極７に流れる電流のデータにもとづいて、フリッカ補償制御信号を出力する。

力率改善制御回路２７およびフリッカ補償制御回路２８の出力は、切替回路２６の２つの入力にそれぞれ接続されている。切替回路２６は、選択回路２５の出力にもとづいて、力率改善制御回路２７の出力またはフリッカ補償制御回路２８の出力のいずれかをフリッカ補償装置３０に接続する。

アーク炉の溶解の段階の後半において、どの程度の力率になるかについては、事前に判明している場合も多い。その場合には、力率改善制御回路２７は、あらかじめ設定された容量の進相コンデンサを投入するようにしてもよい。この場合においては、力率改善制御回路２７は、母線１０１の電圧のデータおよび電極７に流れる電流のデータを入力せずに、選択回路２５によって動作の選択がされたときに、フリッカ補償装置３０に、所定の進相コンデンサの投入を指定する制御信号（進み補償制御信号）を供給する。

電極移動距離演算回路２１、微分回路２２、比較回路２３、タイマ回路２４、選択回路２５、切替回路２６、力率改善制御回路２７、およびフリッカ補償制御回路２８のそれぞれは、ハードウェアで実現される場合に限らず、そのすべてまたは一部がプログラマブルロジックコントローラ等のコントローラ（またはＣＰＵ）およびメモリ上で動作するソフトウェアやプログラム等であってもよい。

図２のフローチャートを用いて、本実施形態の無効電力補償装置１０の動作について説明する。
ステップＳ１において、電極移動距離演算回路２１は、電極昇降電動機回転数検出回路４２が出力する電極昇降用電動機４４の回転数のデータにもとづいて、電極７の移動距離を計算する。

ステップＳ２において、微分回路２２は、電極移動距離演算回路２１が出力する電極７の移動距離を入力して、あらかじめ設定された単位時間で除することによって、電極７の移動速度ｖｅを計算する。

ステップＳ３において、比較回路２３は、電極７の移動速度ｖｅとしきい値ｖｔｈとを比較する。電極７の移動速度ｖｅがしきい値ｖｔｈよりも大きい場合には、選択回路２５に対してフリッカ補償制御回路２８を選択するように指令し、次のステップＳ４に遷移する。

ステップＳ４において、フリッカ補償制御回路２８は、母線１０１の電圧のデータおよび電極７に流れる電流のデータにもとづいて、フリッカ補償制御信号をフリッカ補償装置３０に供給する。

ステップＳ３で、電極７の移動速度ｖｅがしきい値ｖｔｈ以下である場合には、ステップＳ５に遷移する。このとき、フリッカ補償装置３０の動作は、フリッカ補償制御動作を行っている。

ステップＳ５において、タイマ回路２４は、信号が入力されたことによってタイマを起動する。そして、タイマ回路２４は、あらかじめ設定されたタイムアウト時間を経過したか否かを判定する。

タイマ回路２４は、タイムアウト時間が経過していない場合には、処理をステップＳ１に戻す。タイムアウト時間を経過した場合には、次のステップＳ６へ遷移する。タイムアウト時間を経過する前に、電極７の移動速度ｖｅがしきい値ｖｔｈを超えたときには、フリッカ補償制御回路２８による動作が継続される。つまり、タイムアウト時間よりも短い時間だけ電極７の移動速度ｖｅがしきい値を下回ったときには、タイマ回路２４は、溶解末期等とは判断せずに、フリッカ補償動作を継続する。なお、比較回路２３において、電極７の移動速度ｖｅがしきい値ｖｔｈを超えたことを再度判定したときには、タイマ回路２４は、タイマを停止し、リセットする。

ステップＳ６において、タイマ回路２４は、選択回路２５に対して力率改善制御回路２７の出力をフリッカ補償装置３０に供給するように指令する。力率改善制御回路２７は、母線１０１の電圧のデータおよび電極７に流れる電流のデータにもとづいて、進み補償制御信号をフリッカ補償装置３０に供給する。

本実施形態の無効電力補償装置の作用および効果について説明する。
本実施形態の無効電力補償装置１０は、電極移動距離演算回路２１と、微分回路２２と、比較回路２３と、を含むフリッカ補償装置制御盤２０を備えている。電極移動距離演算回路２１は、電極昇降電動機回転数検出回路４２によって、電極７の移動距離を計算し、微分回路２２は、電極７の移動距離にもとづいて、電極７の移動速度ｖｅを計算する。比較回路２３は、電極７の移動速度ｖｅとしきい値ｖｔｈとを比較して、フリッカ補償制御を行うか、力率改善制御を行うかを判定して、設定する。そのため、無効電力補償装置１０は、電極７の移動速度ｖｅを計算することによって、電極７激しく昇降動作をしているか、昇降動作がほぼ停止しているか、を検知することができる。

本実施形態の無効電力補償装置１０では、電極７の昇降動作がほぼ停止したことを検知してアーク放電が安定したことを判定することによって、アーク炉の溶解末期および精錬期であることを判定する。無効電力補償装置１０は、かかる判定結果をもって、フリッカ補償制御動作から力率改善制御動作に切り替える。そのため、アーク炉の溶解末期等において力率が低下した場合に、高力率でアーク炉を運転を継続することができるので、投入電力の増大を抑制することができる。

一般に、プラントや事業所等の電力契約においては、操業時の力率の制約がある場合が多い。このような電力契約では、低力率の状態で操業を継続すると電力調達コストが上昇することとなる。本実施形態の無効電力補償装置１０では、アーク炉の操業の全般にわたって高力率での運転が可能となるため、安定して低コストで操業することができる。

本実施形態の無効電力補償装置１０では、電極７の移動速度ｖｅが低下してしきい値ｖｔｈを下回ってもタイマ回路２４のタイムアウト時間の経過前にｖｅ＞ｖｔｈとなった場合には、スクラップ６の溶解終期とは判定せずに、フリッカ補償動作を継続する。そのため、電極７の移動速度ｖｅの短時間の低下を溶解末期等であると誤検出してフリッカ補償制御動作を脱することがないので、電圧フリッカの規制値を順守することができる。

上述では、フリッカ補償装置３０は、自己消弧形のスイッチング半導体素子を用いた自励式の無効電力補償回路を含む場合について説明したが、フリッカ補償装置３０は、自励式に限らず、他励式であってももちろんかまわない。フリッカ補償装置３０が他励式の場合であっても、フリッカ補償装置３０は、フリッカ補償制御回路２８または力率改善制御回路２７のいずれかの制御信号にしたがって動作する。

以上説明した実施形態によれば、受電点の力率およびアーク炉の投入電力を改善させ、電力コスト削減ができる無効電力補償装置および制御装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 電力系統、２ 計器用変圧器、３ 変成器、４ 炉用変圧器、６ スクラップ、７ 電極、８ 炉体、１０ 無効電力補償装置、２０ フリッカ補償装置制御盤、２１ 電極移動距離演算回路、２２ 微分回路、２３ 比較回路、２４ タイマ回路、２５ 選択回路、２６ 切替回路、２７ 力率改善制御回路、２８ フリッカ補償制御回路、３０ フリッカ補償装置、４２ 電極昇降電動機回転数検出回路、４４ 電極昇降用電動機、４６ 電極昇降機構

Claims (3)

1. 電極とスクラップとの間に発生させたアーク放電によって前記スクラップを溶解するアーク炉に投入される電力を補償する無効電力補償装置であって、
   前記電極に電力を供給する母線の電圧および前記母線から前記電極に流れる電流にもとづいて、フリッカ補償制御のための第１制御信号または力率改善制御のための第２制御信号を生成し出力する制御装置と、
   前記第１制御信号または前記第２制御信号にもとづいて補償電力を前記母線に注入するフリッカ補償装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記電極の昇降によって前記電極が移動した距離を演算する第１演算部と、
   前記移動距離の時間変化を演算する第２演算部と、
   前記移動距離の時間変化と、あらかじめ設定されたしきい値とを比較する比較部と、
   前記移動距離の時間変化が前記しきい値を下回ったときに、前記第１制御信号を前記第２制御信号に切り替えて前記フリッカ補償装置に供給する切替部と、
   を含む無効電力補償装置。
2. 前記切替部は、前記移動距離の時間変化が前記しきい値を下回る時間が所定の時間以上であるときに、前記第１制御信号を前記第２制御信号に切り替える請求項１記載の無効電力補償装置。
3. 電極とスクラップとの間に発生させたアーク放電によって前記スクラップを溶解するアーク炉に投入される電力を補償する無効電力補償装置を制御する制御装置であって、
   フリッカ補償制御のための第１制御信号を生成する第１制御部と、
   力率改善制御のための第２制御信号を生成する第２制御部と、
   前記電極の昇降によって前記電極が移動した距離を演算する第１演算部と、
   前記移動距離の時間変化を演算する第２演算部と、
   前記移動距離の時間変化と、あらかじめ設定されたしきい値とを比較する比較部と、
   前記移動距離の時間変化が前記しきい値を下回ったときに、前記第１制御信号を前記第２制御信号に切り替える切替部と、
   を備えた制御装置。

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