KR100874844B1 - 교류 환원로용 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극들(14)을 구비한 교류 환원로(15)용 제어 장치에 관한 것이다. 본원의 제어 장치는 변압기(11);와 제어된 에너지를 교류 환원로들(15)에 공급하기 위한 조절 시스템(1);을 포함하되, 이 조절 시스템은 상기 전극들(14)용 조정 장치(17)를 제어한다. 또한, 본원의 제어 장치는 제어 가능한 전력 전자식 교류 스위치들(13)을 포함하되, 이들 교류 스위치들(13)은 이차측에서 고전류 도체에 연결되고, 제어용 점화 펄스를 공급하기 위해 점화 라인(16)을 통해 상기 조절 시스템(1)과 연결된다. 그리고 본원의 제어 장치는, 전기 매개변수의 짧은 변동은 단지 상기 교류 스위치들(13)에 의해서만 보상되는 방식으로 형성되어 있다.

전극, 교류 환원로, 변압기, 조절 시스템, 전력 전자식 교류 스위치, 제어용 점화 펄스, 제어 장치.

Description

교류 환원로용 제어 장치{CONTROL APPARATUS FOR ALTERNATING-CURRENT REDUCTION FURNACES}

본 발명은 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제어 장치는 변압기;와 전력을 제어된 교류 환원로들에 공급하기 위한 조절 시스템;을 포함한다. 이 조절 시스템은 전극들용 조정 장치를 제어한다.

쌍을 이루는 단상 접속 시에는 6개의 전극을, 혹은 냅색(knapsack) 결선 내지 성형(star) 결선에서는 3개의 전극을 구비할 수 있는 상기한 전기 환원로들은 비철 금속, 철 합금 및 공정 슬래그를 생산하는데 이용된다.

전기 에너지를 환원로에 공급하는 것은 지금까지 전극을 유압식으로 조정함으로써 제어되어졌다. 이 경우 욕 저항(bath resistance)은 장입물 내 전극의 침투 깊이를 변경함으로써 영향을 받고/받거나, 아크 작동 시에는 전극 하부의 저항비에 의해 영향을 받는다. 이때 조절 변수로서는, 측정된 전극 전류; 각각의 전극 전류 및 전극 전압으로부터 측정된 임피던스; 혹은 전기량의 일차측 측정을 바탕으로 계산된 저항;이 이용된다. 전극 전압의 조정은 단계별로 부하시 탭 절환기(on-load tap changer)를 이용하여 변압기 권선의 변압비를 변경함으로써 이루어진다.

상기와 같이 전극을 조절할 시에, 로 출력은 강한 변동에 따라 달라지되, 이런 변동은 전극들이 침지된 경우는 지속적으로 공정에 따라 발생하는 욕 저항의 변화에 의해 야기되고/되거나, 전극들이 침지되지 않은 아크 작동 시에는 저항 비율의 변화에 의해 야기된다. 이와 같은 전류, 전압 및 전력의 영구적인 변동에 의해, 전기 에너지가 로에 불균일하게 공급된다.

또한, 비철 금속 및 철 합금을 생산하기 위한 다양한 공정들은 전극들 하부에 반응 공간들의 구성을 필요로 한다. 그리고 전기 매개변수를 제어하기 위해 빈번하게 전극들을 기계적으로 이동시킴에 따라, 상기한 반응 공간들은 간섭을 받고, 야금 용융 공정 및 환원 공정은 방해를 받는다.

DE 43 09 640 A1로부터는 직류 조절 회로 후방에 배치되는 전압 조절 회로를 포함하는 직류 아크로가 개시된다. 이 경우, 전압 조절기에 대한 실제 값은 정류기에 인가되는 전압으로부터 구해지며, 그 목표 값은 전류 조절기의 출력 전압으로부터 구해진다. 그리고 전압 조절기 후방에는 플리커 주파수에 부합하게 조정된 필터가 배치된다. 직류 아크로는 또한 공급 전원이 약한 경우에도, 다시 말해 낮은 단락 용량이 적은 공급 전원의 경우에도, 플리커가 없는 작동을 가능케 한다고 한다.

DE 41 35 059 A1은 연속적인 전기 전압 제어를 위한 장치에 관한 것으로, 이 장치는 제어되는 전압에서 고조파 성분을 감소시킨다고 한다. 그 외에도, 부하 전압은 더욱 세밀하게 조정되며, 그리고 변동하는 임피던스에 빠르게 적응한다. 전압 제어를 위해 이용되는 교류 전력 제어기는 부하의 전 출력을 산정화할 필요가 없다; 부하 전류 상태에서, 예컨대 전기 환원로의 경우에 변동하고 불안정한 아크 작동;과 (부하 변동으로 인한) 가변의 무효 전력;을 생성할 수 있는 전류 중단 현상이 발생하지 않는다. 상기한 장치는 특히 아크 전류가 일정한 조건에서 부하 전압이 빠르게 변경되어야 하는 아크로를 작동시키기에 적합하다. 또한, 상기한 장치는, 용융의 개시 시점의 100V에서부터, 충분한 용융이 이루어질 때는 500V를 넘어 700V까지, 그리고 강력한 아크를 위해 1.2kV 전압으로까지 변동한다.

DE 35 08 323 C2는 주요 변압기 및 추가 변압기를 통해 단상 혹은 다상 전열 로의 하나 혹은 그 이상의 전극에 전력을 공급하기 위한 장치를 기술하고 있다. 이 전력 공급 장치는 낮은 회로 피드백, 개선된 전류 안정화, 그리고 (다중 전극로의 경우) 전극들에서 유효 전력의 개별 제어를 가능케 한다. 각각의 위상에 따라 이차 권선의 전류가 측정되고, 정류되며, 그리고 전류 실제 값으로서 합산 유닛에 공급된다. 이 합산 유닛에서는 전류 목표 값과 그 실제 값의 차이가 구해진다. 그에 따라 조절 편차가 조절 장치에 공급되며, 조절 장치의 출력 신호는 제어 펄스 발생기로 공급된다. 제어 펄스 발생기는 단상 싸이리스터 제어장치용으로 대응하는 점화 펄스를 생성하되, 이와 관련하여 싸이리스터 제어장치는 주요 변압기의 중간 회로 권선; 및 해당하는 일차 권선;과 직렬로 연결된다. 상기한 전력 공급 장치는 아크로와 환원로에 적용할 수 있다.

DE 34 39 097 A1으로부터는 음극으로서 배선된 하나 혹은 그 이상의 전극뿐 아니라 양극으로서 배선된 하나 혹은 그 이상의 바닥 전극을 구비한 직류 아크로용 조절 장치가 공지되었다. 이 조절 장치의 경우, 삼상 교류를 정류하기 위한 싸이 리스터들이 6 펄스 혹은 12 펄스의 브리지 결선으로 배치된다. 그렇게 함으로써 빠르면서도 단기간 발생하는 전류 변동은 전류 조절로써 보상되며, 그리고 느리고/느리거나 장기간 발생하는 전류 변동은 전압 조절을 이용하여 보상된다. 싸이리스터 장치는 전극 전류의 전류 목표 값 및 실제 값의 차이에 따라 전류를 조절하면서도, 전극 전압의 전압 목표 값 및 실제 값에 따라 전압을 조절하되, 전압 조절은 전류 조절보다 더욱 느리게 이루어지면서, 전극의 조정이 실행된다.

상기한 조절 장치는, 특히 모든 전기 전력이 아크의 형태로 용융 공정을 위해 로에 제공되는 강 제조를 위한 직류 아크의 요구에 따라 개발된 것이다.

직류 전기로에서 요구되는 바닥 전극들은 로 용기의 바닥에서 문제가 되는 배치에 기인하여 외부 부하에 노출된다. 바닥 전극은 로의 취약 지점으로, 고비용의 확실한 냉각을 필요로 한다. 바닥 전극의 교체는 환원로의 경우 매우 많은 시간을 소요하면서도 비용 집약적인 작업이다.

직류 아크로의 고전류 회로의 광범위한 루프는 전기 회로를 통하는 자속에 의해 관류된다. 상기한 흐름은 아크에서 동전기력(electrodynamic force)을 생성하며, 이 동전기력은 전력 공급의 반대 방향으로 아크를 편향시킨다(아크 편향). 이와 같은 아크 편향에 의해 환원로의 로 라이닝에서는 일측 마모가 증가한다.

DE 28 27 875는 다상 아크로와 이 다상 아크로를 조절하기 위한 방법에 관한 것이다. 변압기의 이차측을 제어하기 위해 필요한 값은, 로 욕과 관련하여 측정된 이차 상 전압을 배제한 상태에서, 지정된 일차측 및/또는 이차측 측정으로부터 측정 및 계산되되, 원하는 조절 값의 계산은, 이차 권선의 인덕턴스 상황이 아크로의 또 다른 변동 동안 예측 가능하고; 그와 같이 계산된 조절 값은 작동 조건에 따른 로 변수에 따르는 지정된 한계 조건에 종속된다;는 가정 하에서 이루어진다. 이와 같은 장치는 모든 다전극로(multi-electrode furnace)에서 사용할 수 있다. 일차측 상 전압과 성형 전류가 측정된다. 이차측 값은, 적어도 다수의 경우에 그 값이 개선된 조절을 위해 고려될 수 있는 방식으로 유도된다.

DE 20 34 874 A1는 중전압 혹은 고전압 교류 전원으로부터 아크로에 전력을 공급하기 위한 장치를 개시하였다. 이 경우 아크로의 전극들은 로 변압기와 제어 가능한 비접촉식 전자 스위치를 통해 교류 전원과 연결된다. 상기 전자 스위치는 로 전류를 조절하고, 과전류 시에는 그 전류를 차단한다. 다상 시스템의 경우, 조절 장치의 보조를 통해 공급 전원의 비대칭 부하가 회피된다. 제어 가능한 비접촉식 전자 스위치는 또한 로 변압기의 탭 절환기뿐 아니라 중간 탭 절환기를 대체한다.

DE 20 17 203 A1에는 3 내지 15Hz의 전류에서 소모되는 소모성 전극을 포함하는 일렉트로 슬래그 재용융법을 위한 전기로가 개시되되, 싸이리스터 직접 교류 변환기; 삼상 교류 변압기; 전극 및 벽부를 포함하는 로 회로; 그리고 단상 변압기를 포함하는 중간 회로;가 전기 회로를 형성한다.

EP 0 589 544 B1은 직렬로 연결된 쵸크(choke);와 이 쵸크에 병렬접속된 제어 가능한 브릿징 스위치로서의 삼상 교류 싸이리스터 브리지;를 구비한 삼상 아크로 시스템에 관한 것이다. 이 경우 제어 장치는 전자 데이터 처리 시스템과 연결되어 전류, 전압, 고조파 함량 및 플리커와 같은 전기 데이터 외에도 공정 데이터를 처리하며, 그리고 목표-실제 데이터 대조 확인에 따라 작동한다.

EP 0 498 239 B1으로부터는 직류 아크로의 전극 조절 방법;과 전극 조절 장치;뿐 아니라, 직류 전압 대신에 변조 각도에 비례하는 신호가 출력되면서 전극 조절용 목표 값의 계산이 이루어지는 장치;가 공지되었다. 상기한 신호는 감쇠 부재를 통해 안내되되, 이 감쇠 부재는 신호 조정과 함께 한계값을 모니터링 하면서, 바람직하지 못한 주파수를 차단한다. 목표 값은 정류기의 평균 제어에 상응한다. 이와 관련하여 요구되는 전류가 정류기에서 사전 설정된 변조로써 달성될 수 있는 방식으로, 아크 길이는 전압 변화와 무관하게 설정된다. 전류를 유지하기 위해 항상 충분한 조절 영역을 이용할 수 있다. 정류기에서 일정한 변조로 조절함으로써, 공급 전원에서는 일정한 평균 역률이 달성된다.

EP 0 429 774 A1은 다상 아크로에 제어되는 전류를 공급하기 위한 공급 장치 및 그 공급 방법을 개시하였다. 상기 다상 아크로는, 3상 교류 전원; 제어식 직렬 리액턴스; 3상 로 변압기; 그리고 유압식으로 작동하는 전극 조절 시스템을 구비한 아크로;로 구성된다. 상 전류는 전류 변환기를 통해 측정되고, 제어 장치를 구비하여 싸이리스터로 제어되는 인덕터로 공급되며, 상기 제어 장치는 재차 직렬 결선에 위치하는 직렬 리액턴스에 영향을 미친다. 영향을 미치는 추가의 측정 신호값은 전극 위치와 변압기 전압이다.

WO 02/28146 A1으로부터는 직접적인 역률 조절을 바탕으로 하는 자동 전극 조절장치;와 로 변압기를 포함하는 전기 아크로용 방법;이 공지되었다. 그에 따른 전기 아크로는 전극의 작동 전류 및 작동 전압을 측정하기 위한 각각의 변압기; 전극의 유효 전력을 계산하기 위한 변환기; 전극의 무효 전력을 계산하기 위한 변환기; 전극의 역률을 계산하고 사전 설정된 목표 값으로 조정하기 위한 프로그래밍 가능 제어 유닛; 뿐 아니라, 전극 레벨 조정 및 측정 장치;로 구성된다. 전극 레벨 조정 및 측정 장치는 제어 유닛과 신호 기술에 따라 연결되며, 그리고 실제 역률이 사전 설정된 목표 값에 최대한 근접하는 방식으로 전극들을 조정한다.

전기 환원로의 전기 매개변수는 전기를 유압식으로 상승 및 하강시킴으로써 가능한 한 일정하게 유지된다. 그러나 그런 매개변수는 전극들이 침지된 경우 욕 저항의 변화에 의해 영구적으로 변동하고/하거나 전극이 침지되지 않은 로 작동 시에, 즉 아크 작동 시에 저항 비율의 변화에 의해 영구적으로 변동한다. 그렇게 함으로써 로에 전기 에너지가 불균일하게 공급된다. 또한, 부분적으로 매우 강력한 전극 이동을 통해 로 내부의 반응 공간의 구성이 어려워지기도 한다.

본 발명의 목적은 최초에 언급한 종류의 제어 장치에 있어서, 전기 환원로 내로의 전력 공급을 안정화함으로써, 에너지 공급 및 생산이 증가하는 방식으로 상기 제어 장치를 구성하는 것에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 반응 공간들이 간섭받지 않는 방식으로 구성될 수 있도록, 전극 이동을 최소한의 정도로 감소시키는 것에 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 본원의 제어 장치는 제어 가능한 전력 전자식 교류 스위치들을 포함하되, 이들 교류 스위치들은 이차측에서 고전류 도체에 연결되고 점화 라인을 통해서는 제어용 점화 펄스를 공급하기 위해 조절 시스템과 연결되며, 그리고 또한 전기 매개변수의 짧은 변동은 단지 교류 스위치들에 의해서만 보상되는 방식으로 본원의 제어 장치가 형성됨으로써 달성된다. 그럼으로써, 에너지 공급의 조절은 더 이상 전극 위치의 변경에 의해서만 이루어지는 것이 아니라, 주로 제어 가능한 전력 전자식 스위치들을 이용하여 이루어지되, 이 스위치들은 이차측에서 고전류 도체에 연결된다. 파워 반도체의 위상각 제어부를 통해, 이차 전류의 유효값을 연속으로 조절할 수 있다. 파워 반도체의 위상각 제어부는 지금까지 기계적으로 이루어진 전극의 조정과 비교하여 매우 빠르게 동작한다. 그럼으로써 공정의 전기 매개변수의 변화에 더욱 빠르게 반응할 수 있으며, 그에 따라 로 전력이 안정화될 수 있다.

전극의 기계식 조정의 목적은 목표값 편차가 클 때 욕 전압의 전압 비율을 보상하고 전극 소모를 보상하는 것에 국한된다.

바람직한 점으로서 증명된 점에 따라, 조절 시스템은 파워 반도체의 위상각 제어부를 포함하되, 이 위상각 제어부는 이차 전류의 유효값을 무단식으로 조절한다.

바람직하게는, 환원로에서 이차 전류의 유효값이 냅색 결선에서 조절되는 방식으로, 조절 시스템이 형성될 수 있다.

본 발명에 따라, 파워 반도체는 역병렬로 접속된 복수 세트의 싸이리스터를 포함할 수 있으며, 그럼으로써 3상 교류 전류의 위상 각 제어가 이루어진다.

전극의 기계식 조정과는 상이하게, 파워 반도체의 위상각 제어부는 로 공정의 전기 매개변수의 변화에 빠르게 반응할 수 있으면서, 로 출력을 안정화할 수 있다.

바람직하게는, 목표값으로부터 크게 벗어나고 전극이 소모하는 경우 욕 전압의 전압 비율이 보상되는 방식으로, 전극들용 조정 장치가 형성될 수 있다.

대개 전류 조절 장치와 전압 조절 장치가 최대한 광범위하게 분리되어 있을 때, 최적의 조절을 획득할 수 있다.

바람직한 점으로서 증명된 점에 따라, 환원로의 고전류 시스템의 전극들은 쌍을 이루어 성형 결선으로 상호 연결된다. 대체되는 방법에 따라, 3상 변압기, 혹은 3개의 단상 변압기들을 포함하는 환원로의 고전류 시스템의 전극들은 냅색 결선으로 상호 연결될 수 있다. 본 발명에 따라, 환원로의 고전류 시스템의 전극들을 삼각형으로 상호 연결할 수 있다.

특히 바람직하게는, 개별 전극 전류들이 자기 소성 전극들(Soederberg electrodes)을 소성하기 위해 제한될 수 있는 방식으로, 조절 시스템이 형성될 수 있다.

본 발명에 따라, 변압기 전류가, 특히 전력 중단점(breakpoint) 이하의 전압 영역에서, 과전류에 의한 손상을 회피하기 위해 제한될 수 있거나, 혹은 변압기 출력이, 특히 전류 중단점 이상의 전압 영역에서, 초과 온도를 회피하고, 그에 따라 변압기의 수명을 연장하기 위해 제한될 수 있는 방식으로, 조절 시스템이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따라, 무효 전력이 역률에 대한 보장값을 유지하기 위해 제한될 수 있는 방식으로, 조절 시스템을 형성할 수도 있다.

전력 스위치 및 부하시 탭 절환기의 수명의 증가는, 전력 스위치 및 부하시 탭 절환기가 거의 무전류 상태에서 개폐될 수 있는 방식으로 조절 시스템이 형성될 때 달성된다.

전극들을 조정할 시에 전극들 하부에 반응 공간들의 구성을 촉진하는 추가로 실현된 무반응 시간 및/또는 히스테리시스가 제공되는 방식으로 조절 시스템이 형성될 때, 야금 반응 공간들에 대한 간섭은 최소치로 감소한다. 전기 매개변수를 조절하기 위한 빈번한 기계식 전극 이동은 상기한 반응 공간들을 방해하고, 야금 용융 공정 및 환원 공정을 방해한다.

본 발명은 다음에서 도면에 도시한 실시예들에 따라 더욱 상세하게 설명된다.

도1은 단상 구성에 해당하는 본 발명에 따른 조절 시스템을 도시한 회로도이다.

도2는 전극들이 쌍을 이루어 상호 연결된 6 전극 로를 도시한 회로도이다.

도3은 냅색 결선으로 3상 변압기를 포함하는 3 전극 로를 도시한 회로도이다.

도4는 냅색 결선으로 3개의 단상 변압기를 구비하여 개략적으로 구성된 3 전극 환원로를 도시한 회로도이다.

도5는 본 발명의 장점을 설명하기 위한 곡선 모임을 도시한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

1: 조절 시스템 2: 모니터링부

3: 전류 조절부 4: 위상각 제어부

5: 전압 조절부 6: 개인용 컴퓨터

7: 연결 라인 8: 로 스위치

9: 모터 10: 공급 전압

11: 로 변압기 12: 조정 장치

13: 파워 반도체 14: 전극

15: 로 16: 점화 라인

17: 유압 시스템 18: 전극 위치 측정 장치

19: 전기 변수용 측정 및 모니터링 장치

20: 접지 결함 모니터링부 21: 직선 곡선 구간

22: 제2 곡선 구간 Z_T: 변압기 임피던스

Z_H: 임피던스 Z_E: 전극 임피던스

Z_B: 욕 임피던스 PC: 개인용 컴퓨터

PLS: 처리 제어 시스템 SPS: 메모리 프로그램 가능 제어장치

A: 암페어/차원 AC: 교류 전류

E_n: 측정점 f: 전원 주파수

I: 전류 I_En: 전류

I_pri: 일차측 전류 I_sec: 이차측 전류

I_+/-n: 상 전류 m: 10^-3(milli)/숫자 인수

k: 10³(Kilo)/숫자 인수 M: 10⁶(Mega)/숫자 인수

M: 모터 코드/기호 n: 순서수

P: 유효 전력 Q: 무효 전력

S: 피상 전력 S_N: 공칭 피상 전력

S_SC: 피상 전력 t_ap: 시간

U: 전압 U_k: 단락 전압

U_N: 전원 전압 U_pri: 일차 전압

U_sec: 이차 전압 U,V,W: 전기 시스템의 위상

VA: 볼트 암페어/차원 V: 볼트/차원

Var: 볼트암페어 반응/차원 W: 전기 에너지

W: 와트/차원 Wh: 와트시간/차원

Z_Bn: 관련 저항의 임피던스 Z_En: 임피던스

Z_{H +/-n}: 임피던스 Z_Tn: 임피던스

α: 제어 각도, 위상 제어 각도 cosφ: 역률(power factor)

도1은 본 발명에 따른 조절 시스템(1)을 도시하고 있다. 이 조절 시스템은, 모니터링부(2), 전류 조절부(3), 위상각 제어부(4) 및 전압 조절부(5)를 포함한다. 제어를 위해 예컨대 개인용 컴퓨터(6)(PC)가 연결되어 있다.

그러나 도1은 3상 시스템중 1개의 경로만을 나타낸다.

로 스위치(8)는 스위칭 라인(7)을 통해 모터를 이용하여 다음에서 기술되는 로를 공급 전압(10)에 연결시킬 수 있다. 그런 다음 공급 전압은 로 변압기(11)의 일차측에 인가되며, 그 로 변압기의 부하시 탭 절환기는 조절 시스템(1)에 의해 조정 장치(12)를 이용하여 조절된다.

로 변압기(11)의 이차측에는 전자식 교류 스위치, 즉 파워 반도체(13)가 연결된다. 이 파워 반도체는 접지된 로(15)의 욕 내에 침지될 수 있는 전극(14)과 연결된다.

파워 반도체(13)는 역병렬로 연결된 2개의 전력 전자식 스위치를 포함할 수 있되, 반도체 소자로서는 다수의 MVA의 높은 출력을 바탕으로 바람직하게는 싸이리스터들을 사용할 수 있지만, 제어 가능한 파워 트랜지스터들도 사용할 수 있다. 점화 라인(16)을 통해서는, 파워 반도체(13)는 통전을 위해 조절 시스템(1)에 의해 점화 펄스를 공급받는다.

유압 시스템(17)은 완만한 전극 조절을 야기하며, 그럼으로써 목표 값으로부터 크게 벗어나고 전극이 소모하는 경우 욕 전압의 전압 비율이 보상된다. 측정 장치(18)는 전극(14)의 위치에 대응하는 신호를 조절 시스템(1)에 공급한다.

조절 시스템(1)에는 전기 변수용 측정 및 모니터링 장치들(19)이 연결되되, 이들 측정 및 모니터링 장치들(19)에는 일차 전압(U_PRI) 및 일차 전류(I_PRI)에 대응하는 측정값들이 공급된다. 측정 및 모니터링 장치들(19)은 이들 측정값으로부터 조절 시스템(1)을 위해 필요한 값들을 계산한다. 로 스위치(8) 전방에서는, 접지 결합 모니터링부(20)가 공급 전압(10)과 연결되어, 자체 측정값을 마찬가지로 조절 시스템(1)에 공급한다.

본 발명의 기초가 되는 조절 시스템(1)은 메모리 프로그램 가능 제어장치(SPS), 처리 제어 시스템(PLS), 개인용 컴퓨터(PC)(6) 혹은 기타 컴퓨터 지원 시스템에서 실현될 수 있다. 조절 시스템(1)용 입력 변수로서는 일차측 및 이차측 측정 및 모니터링 장치들(19)을 이용하여 전기 변수들이 제공될 뿐 아니라, 그런 점에 한해서 부하시 탭 절환기 내지 삼각 결선의 성형 스위치의 위치가 제공된다. 선택적으로, 전극 위치의 측정이 함께 제어 및 조절 시스템(1)에 결부될 수 있다.

조절 시스템(1)의 출력 변수는 전극(14)을 상승 및 하강시키기 위한 유압 밸브용 제어 값일 뿐 아니라, 파워 반도체(13)의 위상 각 제어부(4)의 전자 제어 장치용 제어 변수이다.

조절 시스템(1)은, 필요한 제어 각도(α)를 한계값으로 유지하고 아크 작동 및 부분 부하시 전류의 차단(gap)을 회피하기 위해, 로 변압기들(11)의 부하시 탭 절환기들의 자동 조정 기능만큼 확장될 수 있다.

도2 내지 도4에는 고전류 측의 3상 교류 회로도가 도시되어 있다. 도2는 쌍을 이루어 상호 연결된 6개의 전극(14)을 포함하는 로(15)를 도시하고 있되, 상기 전극들은 파워 반도체(13)를 통해 로 변압기(11)의 이차측 위상(U, V, W)과 연결된다.

도3에는 3개의 전극(14)을 포함하는 로(15)가 도시되어 있되, 이 로(15)는 냅색 결선으로 3상 변압기에 연결되어 있다.

도4에 도시한 고전류 시스템의 구성은 120°만큼 변위되어 있는 3개의 단상 변압기와 교류 변환기뿐 아니라 고전류 라인들의 각도 대칭 배선과 전극 분기들의 배치를 도시하고 있다. 이와 같은 일반적인 개략적 구성을 통해, 환원로에 대한 가능한 한 균일한 전력 공급을 용이하게 하고, 그에 따라 고전압 전원에 가능한 대칭적인 부하를 인가하게끔 하는 각각의 임피던스들의 동일한 비율이 달성될 수 있다. 공정에 따른 비대칭 부하는 본 발명을 통해 양호하게 조절될 수 있다.

냅색 결선은 3개의 전극을 포함하는 전기 환원로에서 사용된다. 상기한 냅색 결선의 경우, 단자들이 로 변압기들의 이차 권선들로부터 도출되며, 그런 다음 비로소 3개의 전극에 연결되어 삼각형 회로를 형성한다. 그에 따라 3개의 전극은 로 욕(furnace bath)과 함께 별 모양의 부하를 형성하되, 로 욕은 성형점(star point)을 형성한다. 고전류 도체가 자계를 보상하는 방식으로 배치됨으로써, 로 리액턴스는 감소한다. 그렇게 함으로써 변압기 출력과 비교하여 더욱 높은 유효 전력이 로 내부로 공급될 수 있으며, 그럼으로써 더욱 개선된 역률(cosφ)이 제공된다.

이와 관련하여, 각각의 제어 가능한 단상 교류 변환기는 단상 로 변압기들과 연결되어 이용될 수 있거나, 혹은 제어 가능한 3상 교류 변환기가 3상 로 변압기들과 연결되어 이용될 수 있다. 전류를 조절하기 위한 교류 변환기의 전력 회로는 각 위상당 역병렬로 연결된 각각 2개의 전력 전자식 스위치를 통해 실현된다. 반도체 소자로서는 다수의 MVA의 높은 전력을 바탕으로 바람직하게는 싸이리스터들이 이용된다. 그러나 제어 가능한 파워 트랜지스터들의 이용도 생각해 볼 수 있다.

도3 및 도4에 도시한 냅색 결선은 전계(electric fields)의 보상 효과를 통해 리액턴스가 없이 고전류 라인들을 상호 연결하는 장점을 갖는다. 그렇게 함으로써 환원로에서 발생한 무효 전력 성분은 감소될 수 있다. 그러나 변압기의 이차 권선이 삼각 결선으로 연결되고, 고전류 라인들을 향해 도출되는 3개의 이차 단자들을 포함하는 회로도 가능하다. 이와 관련하여, 예컨대 강 제조를 위한 아크로에서 통상적인 바와 같이, 상기한 이차 단자들은 전극 분기들과 욕을 통해 성형 결선으로 상호 연결된다.

본 발명과 관련하여 앞서 기술한 주요 목적들과 더불어, 추가로 다음에서 기술되는 또 다른 장점들이 제공된다.

1. 자기 소성 전극들을 소성하기 위한 개별 전극 전류들의 제한.

로를 기동 시에, 혹은 전극 파손 후에, 소성의 각각의 진행에 따라 전극 전류(I_E)를 제한하고, 손상을 회피할 수 있어야 한다. 교류 변환기를 이용하여 각각 최적의 전극 전류(I_E)가 사전 설정된 소성 프로그램에 따라 전극(14)을 통해 안내될 수 있으며, 그리고 과전류에 의한 전극(14)의 손상은 회피될 수 있다. "미소성(green)"의 자기 소성 전극의 초기 파손을 회피하기 위해, 전극(14)의 기계식 조정이 설정될 수 있다.

2. 특히 전력 중단점 이하의 전압 영역에서 과전류에 의한 손상을 회피하기 위한 변압기 전류의 제한.

변압기들(11)은 과전류 계전기에 의해 보호된다. 이 과전류 계전기는 과전류 시에 로 스위치(8)를 개방하여 생산 작동을 중단시킨다. 각각의 전압 단계에 대응하게, 본 발명에 따른 조절 시스템(1)을 통해 해당하는 최대 변압기 전류는 소프트웨어에 따라 제한될 수 있으며, 그에 따라 과전류에 의한 변압기의 차단이 방지될 수 있다. 도5에 도시한 직선의 곡선 구간(20)은 이차 전압에 따른 전류 제한을 나타낸다. 도5는 곡선 군을 도시하고 있되, 이 곡선 군은 이차 전압과 이차 전류의 상호 간 의존성을 잘 보여주고 있다.

3. 특히 전류 중단점 이상의 전압 영역에서 변압기들의 초과 온도를 회피하고, 그에 따라 그들의 수명을 연장하기 위한 변압기 출력의 제한.

극미한 욕 저항에 의해 야기되는 최대 허용 피상 전력의 초과할 시에, 로 변압기들(11)은 초과 온도에 의해 손상되거나, 그 로 변압기들(11)의 수명이 단축될 수 있다. 전류 변환기를 이용하여, 로 변압기들(11)의 피상 전력은 교류 전력 제어기에 의해 최대값으로 제한될 수 있다. 이는 각각의 전압 단계에 따른 전류 제한에 의해 달성되되, 이는 예컨대 도5의 제2 곡선 구간(21)으로부터 알 수 있다.

4. 역률을 위한 보장값을 유지하기 위한 무효 전력의 제한.

종종 경영자와 에너지 공급자 사이에 계약상 체결되는 역률(cosφ)에 대한 한계값은 준수하여야 한다. 조절 시스템을 통해, 한계값 이하로 내려가는 점은 로 출력을 간단히 조절함으로써 회피할 수 있다.

5. 로 설계 및 공정에 따라 발생하는 공급용 고전압 전원의 비대칭 부하의 회피 및 제한.

예컨대 직사각형 로와 같은 로 기하 구조 및/또는 정렬된 전극들(14)의 배치 및/또는 1개의 3상 변압기 또는 정렬 배치된 3개의 단상 변압기의 이용을 통해, 필연적으로 고전압 도체의 배선 시에 비대칭이 발생하며, 그에 따라 상이한 손실 저항 및 리액턴스 저항이 야기된다. 비대칭 부하는 또한 환원로 내부에서 공정 조건에 의한 욕의 상이한 저항 비율에 의해서도 발생한다. 이와 같은 바람직하지 못한 비대칭 전원 부하는 조절 시스템(1)에 의해 양호하게 수정될 수 있다.

6. 거의 무전류 상태에서 개폐를 통한 회로 차단기 및 부하시 탭 절환기의 수명 증대.

부하 하에서 로 스위치(8) 및 전압 단계 조절 스위치를 개폐함으로써, 통상적으로 전기 작동 수단의 수명은 감소한다. 또한, 전원이 약할 시에, 높은 개폐 능력을 바탕으로 플리커 현상(flicker phenomena)이 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 조절 시스템(1)을 통해, 파워 반도체(13)는 로 스위치(8) 혹은 단계 조절 스위치를 개폐하기 전에 차단될 수 있으며, 그럼으로써 회로 차단기는 거의 무전류 상태에서 작동될 수 있다. 단지 변압기들(11)의 무부하 전류만이 관류하기만 하면 된다.

또한, 개선된 조절 거동과 로(15)를 기동할 시에 전극 전류를 제한할 수 있는 가능성을 바탕으로, 그 외에 경우에 많은 수의 전압 단계가 감소될 수 있다.

본 발명에 따른 제어 장치는 바닥 전극을 요구하지 않고도 3개 혹은 6개의 전극을 구비한 3상 교류 전기로의 작동을 가능케 한다. 싸이리스터 세트는 역병렬로 연결되되, 3상 교류는 위상 각 제어 형태로 유지된다.

본 발명의 기초가 되는 조절 장치는 특히 전기 환원로에 대한 공정 요건에 맞춰 조정된다. 이 경우 전극 이동은 야금 용융 공정 및 환원 공정에 장애를 야기할 수 있기 때문에 가능한 한 배제된다. 전극들의 유압식 조정은 실제로 전극 소모를 보상하며, 그리고 단지 보다 높은 전압 편차에 대해서만 반응한다.

냅색 결선을 갖는 로에서는 이차 전류가 전극 분기 전류와 동일하지 않기 때문에, 이 경우는 본 발명에 따른 조절 시스템(1)에 의해 가능한 특별한 조절 방법이 필요하다.

Claims (16)

1. 전극들(14)을 구비한 교류 환원로(15)용 제어 장치로서, 변압기(11);와 제어된 에너지를 상기 교류 환원로(15) 내로 공급하기 위한 조절 시스템(1);을 포함하되, 이 조절 시스템(1)은 상기 전극들(14)용 조정 장치(17)를 제어하는 상기 제어 장치에 있어서,

   상기 제어 장치는 또한 제어 가능한 전력 전자식 교류 스위치들(13)을 포함하며, 이들 교류 스위치들(13)은 이차측에서 고전류 도체에 연결되며, 그리고 제어용 점화 펄스를 공급하기 위해 점화 라인(16)을 통해 상기 조절 시스템(1)과 연결되되, 전기 매개변수의 짧은 변동이 단지 상기 교류 스위치들(13)에 의해서만 보상되는 방식으로 상기 제어 장치가 형성되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 조절 시스템(1)은 파워 반도체(13)의 위상각 제어부(4)를 포함하되, 이 위상각 제어부(4)는 이차 전류(I_sec)의 유효값을 무단식으로 조절하는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 환원로에서 이차 전류(I_sec)의 유효값이 냅색 결선에서 조절되는 방식으로 상기 조절 시스템(1)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 반도체(13)는 역병렬로 연결되는 복수 세트의 싸이리스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 반도체(13)의 위상각 제어부(4)는 로 공정의 전기 매개변수의 변화에 빠르게 반응하면서, 상기 로(15)의 출력을 안정화시키는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 목표값으로부터 크게 벗어나고 전극이 소모된 경우에 욕 전압의 전압 비율이 보상되는 방식으로, 상기 전극들(14)용 조정 장치(16)가 형성되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전류 조절부(3) 및 전압 조절부(5)는 최대한 분리되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환원로(15)의 고전류 시스템의 전극들(14)은 쌍을 이루면서 성형 결선으로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 1개의 3상 변압기 혹은 3개의 단상 변압기(11)를 포함하는 상기 환원로(15)의 고전류 시스템의 전극들(14)은 냅색 결선으로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환원로(15)의 고전류 시스템의 전극들(14)은 삼각 결선으로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 개별 전극 전류들(I_E)은 자기 소성 전극들을 소성시키기 위해 제한될 수 있는 방식으로, 상기 조절 시스템(1)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 변압기 전류가 특히 전력 중단점 이하의 전압 영역에서 과전류에 의한 손상을 회피하기 위해 제한될 수 있는 방식으로, 상기 조절 시스템(1)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 변압기 출력이 특히 전류 중단점 이상의 전압 영역에서 변압기들(11)의 초과 온도를 회피하기 위해 제한될 수 있는 방식으로, 상기 조절 시스템(1)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 무효 전력이 역률(cosφ)에 대한 보장값을 유지하기 위해 제한될 수 있는 방식으로, 상기 조절 시스템(1)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 스위치(8) 및 부하시 탭 절환기가 거의 무전류 상태에서 개폐될 수 있는 방식으로, 상기 조절 시스템(1)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.
16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극들(14)의 조정 시에 추가로 발생되는 무반응 시간 및/또는 히스테리시스가 제공되는 방식으로, 상기 조절 시스템(1)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극들을 구비한 교류 환원로용 제어 장치.

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