KR101330294B1 - 전기로 투입전압의 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

아크의 안정도에 따라 전압 세팅값을 조절하여 생산성을 향상시킬 수 있는 전기로 투입전압의 제어장치 및 제어방법이 소개된다.
이 중에서, 전기로 투입전압의 제어장치는 전기로의 아크 전압 및 아크 전류를 계측하기 위한 전력측정부와, 전력측정부에서 계측된 아크 전압 및 아크 전류를 통해 계산된 아크 동적 임피던스(R(n)) 및 전력변동량 크기(SF(n))를 각각 아크 안정도 함수로 간주하여 아크의 안정 상태 여부를 판단하고, 상기 아크 동적 임피던스(R(n))와 전력변동량 크기(SF(n)) 간의 곱을 새로운 아크 안정도 함수(SFNew(N))로 간주하여 아크의 안정 상태 여부를 재판단하는 동적제어부와, 동적제어부와 외부기기 간의 신호를 전달하는 통신부를 포함하여 구성된다.

Description

전기로 투입전압의 제어장치 및 제어방법{APPARATUS FOR CONTROLING INPUT VOLTAGE IN ELECTRIC FURANCE AND THEREOF}
본 발명은 전기로 투입전압의 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크의 안정성을 정량적으로 판단하여 아크전압의 지령치를 동적으로 제어함으로써, 전기로의 전력 투입속도를 증대시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 전기로 투입전압의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기로는 전극봉을 통해 전력을 투입하여 아크열을 발생시키고, 랜스를 통해 산소를 취입하여 탄소 및 실리콘과 반응되도록 함으로써, 고철과 합금철을 용해한다.
이 전기로와 관련된 종래 기술로서, "전기로(특허공개공보 : 10-2011-0059128)"가 공지되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기로는 내부공간을 갖는 몸체부(10)와, 몸체부(10)의 상부를 개폐하는 커버부재(20)와, 커버부재(20)의 상부를 관통하여 몸체부(10)의 내부공간까지 연장되는 상부 전극봉(30)와, 상부 전극봉(30)에 전원을 인가하는 상부 전극 라인(31)과, 상부 전극봉(30)의 하측에 대응 위치하도록 몸체부(10)의 하부에 장착된 하부 전극봉(40)과, 하부 전극봉에 전원을 인가하는 하부 전극 라인(41)으로 이루어진다.
특히, 전압이 상부 전극봉 및 하부 전극봉에 인가되면 상부 전극봉에 아크가 발생되는 바, 이때, 누적전력량에 따라 나눠진 여러 단계의 스텝에 따라 전압, 전류의 기준값을 달리 준다.
그런데, 전기로 내의 아크는 스크랩의 배치 및 상태에 따라, 안정성이 시시각각으로 변화하므로, 테이블화한 형태의 조업은 아크의 안정성이 반영되어 있지 않아, 전기로 운전 중에 아크가 끊어지거나, 아크에 의한 전기로의 소손의 야기되는 문제가 발생되었다.
이에, 아크가 불안정할 때에는 전압 세팅값을 낮추어 아크가 안정화되도록 하고, 반대로 아크가 안정할 때에는 전압 세팅값을 높이어 전력투입 속도를 증대시킬 수 있는 방안이 요구되고 있다.
특허공개공보 10-2011-0059128 (2011.06.02)
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 아크의 안정도에 따라 전압 세팅값을 조절하여 생산성을 향상시킬 수 있는 전기로 투입전압의 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치는, 전력측정부, 동적제어부 및 통신부를 포함한다. 전력측정부는 전기로의 아크 전압 및 아크 전류를 계측하고, 동적제어부는 상기 전력측정부에서 계측된 아크 전압 및 아크 전류를 통해 계산된 아크 동적 임피던스(R(n)) 및 전력변동량 크기(SF(n))를 각각 아크 안정도 함수로 간주하여 아크의 안정 상태 여부를 판단하고, 상기 아크 동적 임피던스(R(n))와 전력변동량 크기(SF(n)) 간의 곱을 새로운 아크 안정도 함수(SFNew(N))로 간주하여 아크의 안정 상태 여부를 재판단하고, 통신부는 상기 동적제어부와 외부기기 간의 신호를 전달한다.
바람직하게, 상기 동적제어부는 아래의 [수학식 1]에 따른 전기로의 전력변동량 크기(SF(n))를 아크 안정도 함수로 간주하여 아크의 안정 상태 여부를 판단한다.
[수학식 1]
Figure 112011102634158-pat00001
여기서,
Figure 112011102634158-pat00002
,
Figure 112011102634158-pat00003
이며, Vi는 계측된 전압값, αν는 비율계수(scale factor), Vav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전압이고, Ii는 계측된 전류값, αi는 비율계수(scale factor), Iav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전류이다.
바람직하게, 상기 동적제어부는 아래의 [수학식 2]와 같이 아크 동적 임피던스(R(n))와 전력변동량 크기(SF(n)) 간의 곱을 아크 안정도 함수(SFNew(N))로 간주하여 아크의 안정 상태 여부를 판단한다.
[수학식 2]
Figure 112011102634158-pat00004
여기서, R(n)은 아크 동적 임피던스이고, SF(n)은 전력변동량 크기이다.
바람직하게, 상기 동적제어부는 아래의 [수학식 3]과 같이 상기 아크 안정도 함수를 t초 동안 합하여 아크 안정도 함수의 가중치합(WSF(n))을 도출하여 아크의 안정 상태 여부를 판단한다.
[수학식 3]
Figure 112011102634158-pat00005
여기서, Wi는 가중치 계수이고, SFi은 아크 안정도 함수이며, λi임는 가중치 안정도 기준값이다.
바람직하게, 상기 동적제어부는 상기 가중치합(WSF(n))이 상한 임계치 이상이면 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단하고, 상기 가중치합(WSF)이 하한 임계치 이하이면, 아크가 안정한 상태인 것으로 판단한다.
바람직하게, 상기 동적제어부는 아크가 안정된 상태인 것으로 판단되면 전기로의 전압 레퍼런스를 높이고, 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단되면 전기로의 전압 레퍼런스를 낮춘다.
본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어방법은, 전기로의 아크 전압 및 아크 전류를 계측하는 전력 신호 계측단계와, 상기 계측된 아크 전압과 아크 전류를 통해 아크 동적 임피던스와 전력변동량 크기를 계산하고, 계산된 아크 동적 임피던스와 전력변동량 크기를 곱하여 아크 안정도 함수를 도출하는 아크 안정도 평가단계와 상기 아크 동적 임피던스 및 전력변동량 크기, 아크 안정도 함수를 이용하여 아크의 안정 여부를 판단하는 아크 안정 판단단계와, 아크가 안정된 상태인 것으로 판단되면 전기로의 전압 레퍼런스를 높이고, 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단되면 전기로의 전압 레퍼런스를 낮추는 전압 레퍼런스 조절단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 다음과 같은 현저한 효과가 구현될 수 있다.
첫째, 본 발명은 아크의 안정도가 낮으면 전압 세팅값을 낮추어 아크의 안정성을 높일 수 있고, 아크의 안정도가 높으면 전압 세팅값을 높여 전기로의 전력 투입 속도를 증대시킴으로써, 생산성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
둘째, 본 발명은 롱 아크 조업을 유도함으로써, 고효율 운전, 고역율 운전 및 생산시간 단축 등의 효과를 구현할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래 스테인레스 제강 생산과정을 설명한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치를 도시한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치에서, 아크 전압, 아크 전류 및 아크 안정도를 비교하여 도시한 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치에서, 아크 전압, 아크 전류, WSF, SF 및 임피던스를 비교하여 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치에서, 누적전력량(Kwh)과 전압 레퍼런스(V)를 비교하여 도시한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치에서 가중치합에 따른 아크 안정도를 도시한 화면.
도 7은 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어방법을 도시한 순서도.
이하에서는 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치에서, 아크 전압, 아크 전류 및 아크 안정도를 비교하여 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치에서, 아크 전압, 아크 전류, WSF, SF 및 임피던스를 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치에서, 누적전력량과 전압 레퍼런스를 비교하여 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어장치에서 가중치합에 따른 아크 안정도를 나타낸 화면이다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 전기로 투입전압의 제어장치는, 크게 전력측정부(100), 동적제어부(200) 및 통신부(300)를 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 전력측정부(100)는 전기로, 보다 상세하게는 전극봉의 아크 전압 및 아크 전류를 계측하고, 계측된 아크 전압 및 아크 전류를 동적제어부(200)에 인가한다. 이때, 전력측정부(100)에서 측정되는 아크 전압 및 아크 전류는, 최초 인가시 경험적으로 선정된 테이블값이 사용되며, 누적전력량에 따라 여러 단계로 나누어진 스텝에 따라 전압, 전류의 최초 기준값이 달라질 수 있다.
통신부(300)는 동적제어부(200)와 외부기기 간의 신호를 전달하는데, 본 실시예에서 통신부(300)는 HMI 및 PLC와 LAN 통신이 이루어진다.
동적제어부(200)는 전력측정부(100)로부터 아크 전압 및 아크 전류를 인가반는데, 이때 인가받은 아크 전압 및 아크 전류는 아크의 안정도 함수를 정의하는데 사용된다. 이 아크의 안정도 함수를 정의하기 위해, 본 발명에서는 실시예 1 내지 실시예 4를 들어 설명한다.
<실시예 1>
동적제어부(200)는 전력측정부(100)에서 계측된 아크 전압 및 아크 전류를 통해 아래의 아크 동적 임피던스(R(n))를 계산한 후, 계산된 아크 동적 임피던스(R(n))를 아크 안정도 함수로 간주하여 아크의 안정 상태 여부를 판단한다.
Figure 112011102634158-pat00006
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 아크의 안정/불안정 상태와 임피던스의 수치변화를 비교한 결과, 아크가 불안정할 때 아크 동적 임피던스가 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 아크 물리학에 근거하여 안정도 함수를 구한 것으로, 여러 시뮬레이션 및 실험결과에 따라, 안정도의 안정도와 아크 동적 임피던스 간에 상관관계가 있음을 알 수 있었다. 이때, 아크 동적 임피던스의 높고 낮음이 되는 기준값은, 여러 시뮬레이션 및 실험결과에 따라 결정된다.
이에 따라, 동적제어부(200)는 아크 동적 임피던스를 계산한 결과, 아크 동적 임피던스가 낮게 나타나면, 아크가 안정된 상태인 것으로 판단한 후, 전기로의 전압 레퍼런스가 높아지도록 제어하고, 아크 동적 임피던스가 높게 나타나면, 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단한 후, 전기로의 전압 레퍼런스가 낮춰지도록 제어한다.
<실시예 2>
동적제어부(200)는 전력측정부(100)에서 계측된 아크 전압 및 아크 전류를 아래의 [수학식 1]에 따른 전기로의 전력변동량 크기(SF(n))를 계산할 수 있는데, 이때 계산된 전력변동량 크기(SF(n))를 아크 안정도 함수로 간주하여 아크의 안정 상태 여부를 판단한다.
[수학식 1]
Figure 112011102634158-pat00007
여기서,
Figure 112011102634158-pat00008
,
Figure 112011102634158-pat00009
이며, Vi는 계측된 전압값, αν는 비율계수(scale factor), Vav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전압이고, Ii는 계측된 전류값, αi는 비율계수(scale factor), Iav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전류이다. 특히, SFV(n)는 전압의 평균치 변동과 분산의 곱에 제곱근을 씌운 형태이고, SFI(n)는 전류의 평균치 변동과 분산의 곱에 제곱근을 씌운 형태이고, SF(n)은 SFV(n)와 SFI(n)의 지수곱의 형태로 a값에 따른 전압에 중점을 둘 것인지 전류에 중점을 둘 것인지를 선택할 수 있게 하였다. 이때, a값은 전압 또는 전류의 중요도에 따라 실험적으로 결정된다.
도 4를 다시 참조하여, 아크의 안정/불안정 상태와 전력변동량 크기(SF(n))를 비교해 보면, 아크가 불안정할 때 전력변동량 크기(SF(n))가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 통상 아크는 물리적으로 끊기지 않는다 하더라도 아크 전압의 변동이 심해지면, 다시 말해, 아크 길이의 변화가 심한 상태에서 전압을 더 투입하면, 전기로 내에 손상이 야기될 수 있다.
이에, 동적제어부(200)는 전력변동량 크기(SF(n))를 계산한 결과, 전력변동량 크기가 작게 나타나면, 아크가 안정된 상태인 것으로 판단한 후, 전기로의 전압 레퍼런스가 높아지도록 제어하고, 전력변동량 크기가 크게 나타나면, 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단한 후, 전기로의 전압 레퍼런스가 낮춰지도록 제어한다.
<실시예 3>
동적제어부(200)는 실시예 1 내지 실시예 2에서 계산된 아크 동적 임피던스(R(n))와 전력변동량 크기(SF(n))를 이용하여, 아래의 [수학식 2]에 따른 아크 안정도 함수(SFNew(N))를 구할 수 있으며, 이때, 계산된 아크 안정도 함수(SFNew(N))를 통해 아크의 안정 상태 여부를 판단한다.
[수학식 2]
Figure 112011102634158-pat00010
여기서, 제1 실시예 및 제2 실시예에서 설명한 R(n)은 아크 동적 임피던스이고, SF(n)은 전력변동량 크기이다.
이들 아크 동적 임피던스(R(n))와 전력변동량 크기(SF(n))는, 아크가 불안정할 때 증가되고 아크가 안정할 때 감소하므로, 아크 동적 임피던스(R(n))와 전력변동량 크기(SF(n)) 간의 곱인 아크 안정도 함수(SFNew(N)) 역시, 아크가 불안정할 때 증가되고 아크가 안정할 때 감소된다.
따라서, 동적제어부(200)는 아크 안정도 함수(SFNew(N))를 계산하여, 아크 안정도 함수(SFNew(N))가 작게 나타나면, 아크가 안정된 상태인 것으로 판단한 후, 전기로의 전압 레퍼런스가 높아지도록 제어하고, 아크 안정도 함수(SFNew(N))가 크게 나타나면, 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단한 후, 전기로의 전압 레퍼런스가 낮춰지도록 제어한다.
<실시예 4>
동적제어부(200)는 아래의 [수학식 3]과 같이 상술한 아크 안정도 함수를 t초 동안 합하여 아크 안정도 함수의 가중치합(WSF(n))을 도출하여 아크의 안정 상태 여부를 판단한다.
[수학식 3]
Figure 112011102634158-pat00011
여기서, Wi는 가중치 계수이고, SFi은 아크 안정도 함수이며, λi는 가중치 안정도 기준값이다.
이 동적제어부(200)는 가중치합(WSF(n))이 상한 임계치 이상이면 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단하고, 가중치합(WSF)이 하한 임계치 이하이면, 아크가 안정한 상태인 것으로 판단한다.
도 5 내지 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 가중치합(WSF)이 상한 임계치를 넘어가는 구간을 빨간색으로 표시하고, 하한 임계치를 넘어가는 구간을 녹색으로 표시하였는 바, 가중치합(WSF)이 상한 임계치를 넘어가는 구간이 4개중에 3개가 존재하면, 불안정으로 판정하여 전압 레퍼런스를 낮추고, 반면에 가중치합(WSF)이 하한 임계치를 넘어가는 구간이 연속적으로 3개 이상 지속되면 아크가 안정된 것으로 판단하고 전압 레퍼런스를 상승시킨다.
도 7은 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어방법을 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기로 투입전압의 제어방법은, 전력 신호 계측단계, 아크 안정도 평가단계, 아크 안정 판단단계 및 전압 레퍼런스 조절단계를 포함한다.
전력 신호 계측단계는 전극봉의 아크 전압 및 아크 전류를 계측한다. 여기서, 계측된 아크 전압 및 아크 전류는 아크 안정도 함수를 도출하기 위한 주요 요소가 된다.
아크 안정도 평가단계는 계측된 아크 전압과 아크 전류로부터 아크 동적 임피던스 및 전력변동량 크기를 계산하고, 계산된 아크 동적 임피던스 및 전력변동량 크기로부터 아크 안정도 함수를 도출하며, 아크 안정도 함수를 이용하여 가중치합(WSF)을 계산한다. 이때, 아크 동적 임피던스, 전력변동량 크기, 아크 안정도 함수, 가중치합에 대한 계산은, 선택적으로 실시될 수 있으며, 이들을 계산하는 구체적인 설명은, 상술한 실시예 1 내지 4에서 설명한 내용과 동일하다.
아크 안정 판단단계는 상기 아크 안정도 평가단계에서 도출된 아크 안정도 함수 및 가중치합으로부터 아크의 안정 여부를 판단한다. 예를 들어, 아크 안정도 함수가 낮게 나타나면, 아크가 안정된 상태인 것으로 판단하고 아크 안정도 함수가 높게 나타나면, 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단한다. 아울러, 가중치합이 상한 임계치 이상이면 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단하고, 가중치합이 하한 임계치 이하이면, 아크가 안정한 상태인 것으로 판단한다.
전압 레퍼런스 조절단계는 아크가 안정된 상태인 것으로 판단되면 전기로의 전압 레퍼런스를 높이는데, 전력 투입 속도가 증대되므로 생산성을 향상시킬 수 있게 된다. 아울러, 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단되면 전기로의 전압 레퍼런스를 낮춤으로써, 아크의 안정성을 높일 수 있다.
상기에서 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100 :전력측정부 200 :동적제어부
300 :통신부

Claims (7)

  1. 전기로의 아크 전압 및 아크 전류를 계측하기 위한 전력측정부;
    상기 전력측정부에서 계측된 아크 전압 및 아크 전류를 통해 계산된 아크 동적 임피던스(R(n)) 및 전력변동량 크기(SF(n))를 각각 아크 안정도 함수로 간주하여 아크의 안정 상태 여부를 판단하고, 상기 아크 동적 임피던스(R(n))와 전력변동량 크기(SF(n)) 간의 곱을 새로운 아크 안정도 함수(SFNew(N))로 간주하여 아크의 안정 상태 여부를 재판단하는 동적제어부; 및
    상기 동적제어부와 외부기기 간의 신호를 전달하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로 투입전압의 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변동량 크기(SF(n))는 아래의 [수학식 1]과 같이 도출되는 것을 특징으로 하는 전기로 투입전압의 제어장치.
    [수학식 1]
    Figure 112013059152987-pat00012

    여기서,
    Figure 112013059152987-pat00013
    ,
    Figure 112013059152987-pat00014

    이며, Vi는 계측된 전압값, αν는 비율계수(scale factor), Vav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전압이고, Ii는 계측된 전류값, αi는 비율계수(scale factor), Iav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전류임.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 아크 안정도 함수(SFNew(N))는 아래의 [수학식 2]와 같이 도출되는 것을 특징으로 하는 전기로 투입전압의 제어장치.
    [수학식 2]
    Figure 112013059152987-pat00015

    여기서, R(n)은 아크 동적 임피던스이고, SF(n)은 전력변동량 크기임.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 동적제어부는 아래의 [수학식 3]과 같이 상기 아크 안정도 함수를 t초 동안 합하여 아크 안정도 함수의 가중치합(WSF(n))을 도출하여 아크의 안정 상태 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 전기로 투입전압의 제어장치.
    [수학식 3]
    Figure 112011102634158-pat00016

    여기서, Wi는 가중치 계수이고, SFi은 아크 안정도 함수이며, λi는 가중치 안정도 기준값임.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 동적제어부는 상기 가중치합(WSF(n))이 상한 임계치 이상이면 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단하고, 상기 가중치합(WSF)이 하한 임계치 이하이면, 아크가 안정한 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전기로 투입전압의 제어장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 선택된 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 동적제어부는 아크가 안정된 상태인 것으로 판단되면 전기로의 전압 레퍼런스를 높이고, 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단되면 전기로의 전압 레퍼런스를 낮추는 것을 특징으로 하는 전기로 투입전압의 제어장치.
  7. 전기로의 아크 전압 및 아크 전류를 계측하는 전력 신호 계측단계;
    상기 계측된 아크 전압과 아크 전류를 통해 아크 동적 임피던스와 전력변동량 크기를 계산하고, 계산된 아크 동적 임피던스와 전력변동량 크기를 곱하여 아크 안정도 함수를 도출하는 아크 안정도 평가단계;
    상기 아크 동적 임피던스 및 전력변동량 크기, 아크 안정도 함수를 이용하여 아크의 안정 여부를 판단하는 아크 안정 판단단계; 및
    아크가 안정된 상태인 것으로 판단되면 전기로의 전압 레퍼런스를 높이고, 아크가 불안정한 상태인 것으로 판단되면 전기로의 전압 레퍼런스를 낮추는 전압 레퍼런스 조절단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로 투입전압의 제어방법.
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