KR101751365B1 - 전기 아크로를 위한 전기 전력 공급 기기 및 방법 - Google Patents

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Abstract

전기 아크로(60)를 위한 전기 전력 기기는 적어도 하나의 전극(62)과, 이에 연결 가능하며 금속 물질을 용융하기 위한 전기 아크를 생성하도록 전기 에너지를 전극(62)에 공급하기 위한 전력 네트워크(50)를 포함한다. 이 기기는 전력 네트워크(50) 및 전극(62) 사이에 배치되고 이들에 연결되어, 전극(62)에 전력을 공급하기 위해 적어도 하나의 전기량을 조절하도록 구성된 전기 조절 유닛(12)을 포함한다. 이 기기는 전극(62) 및 전기 조절 유닛(12) 사이에 배치되어 전기량을 검출하는 적어도 하나의 검출 장치(20, 22), 용융될 금속 물질에 가까이 또는 멀리 적어도 하나의 전극(62)을 이동시키는 위치선정 장치(46), 및 제어 및 명령 유닛(16)을 포함한다.

Description

전기 아크로를 위한 전기 전력 공급 기기 및 방법{APPARATUS AND METHOD TO ELECTRICALLY POWER AN ELECTRIC ARC FURNACE}
본 발명은 전기 아크로(arc furnace) 내에 용융 단계(melting step) 동안 아크를 제어할 수 있는, 전기 아크로를 위한 전력 공급 기기 및 그 방법에 관한 것이다.
구체적으로, 전기 아크로를 위한 전력 공급 기기 및 방법은 용융 아크에 의해 공급된 전력을 적어도 두 가지 조절 모드(regulation mode)로 수행하는 것이 가능하다.
금속을 용융하기 위한 전기 아크로의 전극에 전력을 가하는 기기들이 잘 알려져 있다.
전극들은 전기로 내에 투입되고, 그 안에서 고체 금속의 용융 체계를 조절하기 위해 금속 중탕(metal bath)으로부터 가까이 또는 멀리 이동될 수 있다.
알려진 전기 전력 기기들(electric power apparatuses)은 아크(arc)의 길이를 수정하기 위하여, 금속에 대하여 전극을 들어올리거나 낮추도록 금속의 위치를 조절하는 장치들을 포함한다. 그러나, 금속 위치를 조절하는 것은 매우 느리며, 그 안에서 전기 전력의 양이나 전기 아크의 생성에 대하여 급작스러운 변화가 있을 때, 빠른 수정들을 수행하지 못한다.
실제로 아크가 길어지면, 즉 전극이 용융될 물질로부터 더 멀어지면, 이를 보완하여 스위치 오프되는 것을 방지하기 위하여, 가해지는 전압은 증가되어야 한다. 만약 아크가 짧아지면, 전류가 증가하고 그에 따라 아크에 의해 공급되는 전력이 제어 불가능하게 증가하게 되어, 가열로(furnace) 또는 루프(roof)가 손상될 가능성이 존재한다.
동일한 전류에서의 아크 전압은 전극과 용융될 물질 사이의 거리에 비례한다. 그러므로, 아크의 기준 전류에 도달할 수 있는 주어진 조건 하에서, 안정된 아크의 조건은 전력 전압 특성 그래프와 관련하여 전극과 용융될 물질 사이의 거리를 조절함으로써 얻어진다.
알려진 타입의 전력 기기들은 일반적으로 전기 전력 네트워크(power network)에 의해 공급되는 전압, 일반적으로 평균 전압을 전극 전력에 적합한 전압으로 변환하는 멀티-탭 변압기(multi-tap transformer)를 포함한다.
변압기의 탭들을 통해 아크의 전압, 즉 아크의 길이를 조절할 수 있으며, 용융 전력을 조절할 수 있다.
이러한 타입의 전력 기기들은 에너지의 순간적인 흡수의 불연속성에 연관된 단점을 가지며, 이는 전력 네트워크로부터 발생되고, 아크의 불안정성 및 스크랩의 미끄러짐에 의해 발생되는 빈번한 부하 단락(short circuit)에 기인하여 특히 용융점에서 발생한다. 몇몇 경우에 있어서, 이는 네트워크 전압에 변동을 수반할 수 있다(이러한 현상을 플리커(flicker)라 부른다).
또한, 전력 네트워크에 의해 공급된 교류 전류를 직류 전류로 바꾸는 교정 회로(straightener circuit) 및 전극에 전력을 공급하는 컨버터 회로를 포함하는 전기 아크로의 전력 기기들이 잘 알려져 있다.
전기로 전력 공급에 이러한 형태의 종래의 설정을 이용하는 한 방법은 미국 공개특허공보 US2007/0247079A1호 및 미국 특허공보 US6421366B1호에 일 예시로 기술되어 있다.
그러나, 이러한 전력 기기들에 존재하는 컨버터 회로는 아크로부터 도달하여 전력 네트워크에 영향을 주는 외란(disturbances)을 보상해주지 못한다. 또한, 수행되는 전류의 변조 때문에, 컨버터 회로는 전력 네트워크로 들어갔을 때 문제가 될 수 있는 고조파(harmonics)를 전류 내에서 생성한다.
본 발명의 일 목적은 효율적으로 용융 전력을 조절할 수 있는 전기 아크로 전력 기기 및 방법을 얻는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 용융 단계 동안 전기 아크의 안정성을 보장하기 위하여 아크 전압 및 아크 전류의 특성들을 조절할 수 있는 기기 및 실행 방법을 얻는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 기기들과 비교하여 전력 네트워크에 영향을 주는 외란(disturbances)을 줄일 수 있는 전력 기기를 얻는 데에 있다.
본 출원인은 종래 기술의 단점들을 극복하고 상기의 목적 및 또 다른 이점들을 얻기 위하여, 본 발명을 발명하고 테스트 및 실시하였다.
본 발명은 이하의 특허청구범위의 독립 청구항에 설명되고 특정되며, 종속 청구항들은 본 발명의 다른 특성들 또는 주 특징부의 변형들을 설명한다.
상기 목적에 따라, 전기 아크로를 위한 전기 전력 기기는 적어도 하나의 상부 전극(바람직하게는 두 개 또는 세 개)을 포함하며, 이는 전기 아크를 생성하도록 전기 에너지를 전극에 공급하는 전력 네트워크(power network)와 연결될 수 있다.
기기는 전력 네트워크와 전극(electrode) 사이에 배치되어 이들과 연결되고, 전극에 전력을 가하기 위해 적어도 하나의 전기량(electric quantity)을 조절하도록 구성된 전기 조절 유닛(electric regulation unit)을 포함한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 기기는 전극과 전기 조절 유닛 사이에 배치되어 전기량을 검출하는 적어도 하나의 검출 장치(detection device) 및 전극을 용융될 금속 물질 가까이 또는 멀리 이동시키도록 구성된 위치선정 장치(positioning device)를 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 기기는 전기 조절 유닛 및 위치선정 장치를 제어하고 전기 조절 유닛으로 전기 아크의 제1 제어를 수행하며 위치선정 장치로 전기 아크의 제2 제어를 각각 수행하기 위하여, 전기 조절 유닛, 전력 네트워크 및 위치선정 장치에 연결된 제어 및 명령 유닛(control and command unit)을 포함한다.
이러한 방식으로, 기기는 요구되는 용융 전력에 대응하는 전기량의 작은 변화에서의 빠른 역학을 제1 제어를 통해, 즉 전기량의 조절로 제어 가능하고, 큰 변화에서의 느린 역학을 제2 제어를 통해, 즉 전극의 이동에 의해 제어 가능하다.
본 발명의 다른 실시예의 형태는 또한, 전력 네트워크에 의해 전력이 공급되는 적어도 하나의 전극에 의해 전기 아크(electric arc)를 생성할 수 있고, 전력 네트워크 및 전극 사이에 배치되어 이들과 연결된 전기 조절 유닛에 의해 전극에 전력을 공급하는 적어도 하나의 전기량을 조절할 수 있도록 제공된, 전기 아크로의 전력 공급 방법에 관한 것이다.
몇몇 실시예에 따르면, 이 방법은 전극 및 전기 조절 유닛 사이에 배치된 적어도 하나의 검출 장치로 전기량을 검출하는 단계, 위치선정 장치로 용융될 금속 물질에 가까이 또는 멀리 적어도 하나의 전극을 이동시키는 단계, 및 전기 조절 유닛으로 전기 아크의 제1 제어 및 위치선정 장치로 전기 아크의 제2 제어를 각각 수행하기 위해 전기 조절 유닛 및 위치선정 장치를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특징들은 비제한적인 예시로 주어진 이하의 도면들과, 이하의 몇몇 실시예들의 설명으로 자명해질 것이다.
본 명세서에 포함되어 있음.
도 1은 여기에서 설명되는 몇몇 실시예들에 따른 전기 아크로의 전원 공급을 위한 기기의 다이어그램이다.
도 2는 여기에서 설명되는 몇몇 실시예들에 따른 도 1의 다이어그램의 상세도이다.
이해를 돕기 위하여, 도면에서 동일한 일반적인 요소들을 지칭하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호가 사용되었다. 어느 한 실시예의 구성 요소들 및 특징들은 추가 설명 없이도 다른 실시예들에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
본 실시예에 따르면, 본 발명은 전기 아크로(electric arc furnace)(60)에 전력 공급을 위한 기기(10)에 관한 것이다.
전기 아크로(60)는 금속 물질의 용융을 위해 필요한 전력을 공급하기 위하여, 전기적으로 전력이 공급될 수 있는 하나 이상의 전극들(electrodes)(62), 여기서는 하나의 전극(62)을 포함한다.
몇몇 실시예에 있어서, 전극들(62)은 두 개, 세 개, 또는 그 이상이 제공될 수 있다.
기기(10)는 도 2의 세 가지 상들(phases)(R, S, T)을 갖도록 도시된 예를 들어 3상 전기 네트워크(three phase electric network)인 전력 네트워크(power network)(50)에 연결된다.
전력 네트워크(50)는 용융을 위해 필요한 전기 전력을 전극(62)에 공급한다.
구체적으로, 전력 전류(power current)(Ii) 및 전력 전압(power voltage)(Ui)이 전력 네트워크(50)에 사용될 수 있으며, 이는 기기(10)를 통해 전극(62)에 적절하게 공급된다.
몇몇 실시예에 따르면, 기기(10)는 전력 네트워크(50)에 의해 공급된 전력 전류(Ii) 및 전력 전압(Ui)에 각각 대응하는 전기량을 검출하도록 구성된 검출 장치들(detection devices)(24, 26)을 포함한다.
검출 장치(24)는 전력 전류(Ii)의 세기를 검출하도록 구성된, 예를 들어 전류계(ammeter), 또는 전류계 트랜스포머(ammeter transformer)일 수 있고, 검출 장치(26)는 전위차, 즉 전력 전압(Ui)을 검출하도록 구성된, 예를 들어 전압계(voltmeter), 또는 전압계 트랜스포머(voltmeter transformer)일 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 기기(10)는 전력 네트워크(50) 및 전극(62) 사이에 배치되어 이들과 연결되고, 전기 아크로(60)의 하나 이상의 전극들(62)의 적어도 하나의 전기 전력량을 조절하고 전기 아크(electric arc)의 안정성을 보장하도록 구성된 전기 조절 유닛(electric regulation unit)(12)을 포함한다.
본 발명의 가능한 변형예에 따르면, 전기량의 조절은 전력 전류의 세기(intensity) 및 주파수(frequency)를 조절하는 것을 제공한다.
가능한 변형예에 따르면, 전기량의 조절은 공급된 전류 및 용융 전력을 조절할 수 있는, 전력 전압의 주파수(frequency), 파형(wave form) 및 진폭(amplitude)을 조절하는 것을 제공한다.
몇몇 실시예에 있어서, 전기 조절 유닛(12)은 전극(62)에 전력을 공급하기 위해 전력 네트워크(50)의 전력 전류(Ii) 및 전력 전압(Ui)을 아크 전류(Ia) 값들 및 아크 전압(Ua) 값들로 변환하도록 구성된 컨버터 장치(converter device)(18)를 포함한다.
몇몇 실시예에 따르면, 컨버터 장치(18)는 전력 전류의 각 상들(R, S, T)을 위한 상 서브모듈들(phase sub-module)(34R, 34S, 34T)을 각각 포함하는 복수의 모듈들(34)을 포함한다.
모듈들(34)은 전력 네트워크(50)와 서로 평행하게 연결되고, 전력 전류(Ii) 및 전력 전압(Ui)을 각각 변환하도록 구성된다.
상 서브모듈(34R, 34S, 34T)은 각 상(R, S, T)에서 전력 전류(Ii) 및 전력 전압(Ui)의 변환을 제어할 수 있다.
도 1에서 세 개의 모듈들(34)이 도시되었으나, 그보다 적거나 많게 제공될 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면(도 2), 각각의 상 서브모듈(34R, 34S, 34T)은 전력 네트워크(50)에 의해 공급되는 개별의 상 전류를 교정하고 가능하게는 조절하도록 구성된, 교정 회로(straightening circuit)(36)을 포함한다.
교정 회로(36)는 예를 들어 제어된 다이오드 브리지(diode bridge) 또는 사이리스터 브리지(thyristor bridge)에 의해 달성될 수 있다.
도 2에 따라 설명된 몇몇 실시예에 따르면, 각 상 서브모듈(34R, 34S, 34T)은 에너지를 저장하고 외부 전력 네트워크(50) 및 전극(62) 사이에 분리(separation)를 생성하도록 구성된 직류 중간 회로(intermediate circuit in direct current)(38)(DC-link라 불림), 및 출구에서 교류 전류의 주파수 및 가능하게는 진폭을 조절하여 변환하도록 구성된 인버터 회로(inverter circuit)(40)를 포함한다.
전극 측에 동일한 상으로 전력을 가하는 각 인버터 회로(40)마다 중간 회로(38)가 존재함으로써, 아크로부터 오는 외란(disturbances)을 보상하여, 전력 네트워크(50) 상에 부정적 영향을 제한한다.
몇몇 실시예에 따르면, 인버터 회로(40)는 다중-자극(multi-impulse) 통신 회로이다. 가능한 실시예에 있어서, 인버터 회로(40)는 12-자극 모듈레이션(twelve-impulse modulation), 또는 12의 배수 즉, 예를 들면 24-자극 또는 36-자극 모듈레이션을 제공할 수 있다.
이는 일반적으로 50Hz 또는 60Hz인 기준보다 높은, 원치 않는 고조파(harmonics)의 가능성을 상당히 감소시킬 수 있다. 또한, 기준보다 높은 고조파는 전력 네트워크 내에 외란을 일으켜, 전력 네트워크에 연결된 가능한 다른 유저 제품들에 악영향을 미칠 수 있다.
기준보다 높은 고조파는 유효 전력의 이송에 기여하지 못하고, 이는 전력 네트워크에 외란을 생성할 수 있어, 가능한 한 감소될수록 더 좋다.
몇몇 실시예에 따르면, 개별의 전력 상 서브-모듈(34R, 34S, 34T)의 스타 센터들(star centers)은 서로 중성(neutral)(N)으로 연결되어 있다. 이 방식으로, 상 서브-모듈(34R, 34S, 34T)이 꺼지더라도, 어떠한 경우에도, 자극의 기대 개수(expected number of impulses)로 모듈레이션이 가능하다. 반면, 상 서브-모듈(34R, 34S, 34T)의 스타 센터들이 서로 연결되어 있지 않으면, 그들 중 하나가 꺼지거나 불량이 되면, 자극 소스(source of impulse)를 잃게 된다.
몇몇 실시예들에 따르면, 인버터 회로(40)는 반도체(semi-conductors), 다이오드(diodes), 사이리스터(thyristors)로서 SCR(Silicon Controlled Rectifier), 트리악(triac), GTO(Gate Turn-Off thyristor), IGCT(Integrated Gate-Commutated Tyristor), MCT(Metal-Oxide Semiconductor Controlled Thyristor)와 같은 사이리스터, 트랜지스터(transistors)로서 BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)와 같은 트랜지스터로부터 선택된 복수의 장치들을 포함한다.
몇몇 실시예들에 따르면, 하나 이상의 모듈(34)은 전력이 공급될 각 상들(R, S, T)에 교정 회로(36), 중간 회로(38), 및 인버터 회로(40)를 구비한다.
몇몇 실시예들에 따르면, 각 상(R, S, T)을 위한 복수의 인버터 회로(40)는 서로 평행하게 위치되어 제공될 수 있다.
반도체 장치의 사용은 어떠한 순간에서, 심지어 매우 찰나의 순간에서도 장치를 온-오프 스위칭함으로써 전류를 제어하는 것이 가능하다.
도면에 도시되지 않았으나 몇몇 실시예들에 따르면, 인버터 회로(40)는 반도체 장치를 보호하여 인버터 회로(40) 자체를 보호하도록 즉각적으로 개입하는 보호 장치(protections)를 구비할 수 있다.
몇몇 실시예들에 따르면, 각 상 서브-모듈(34R, 34S, 34T)은 하나의 교정 회로(36) 및 네 개의 유닛들을 포함하며, 이들은 각각 중간 회로(38) 및 인버터 회로(40)를 구비한다.
몇몇 실시예들에 따르면, 교정 회로 및 인버터 회로는 필요한 교체나 메인터넌스(maintenance)에 이용될 수 있는 예비품(spare part)의 수를 최소화하도록 각 모듈(34)에 있어서 동일하다.
또한, 전력 네트워크(50)를 향하여, 모듈(34)은 3-상 로드(three-phase loads)가 균형을 이루도록 나타난다.
몇몇 실시예들에 따르면(도 1), 전기량을 검출하기 위한 적어도 하나의 검출 장치는 전극(62) 및 전기 조절 유닛(12) 사이에 배치되며, 본 실시예에서는 전기 아크에 전력을 공급하기 위하여, 두 개의 검출 장치들, 즉 각각 아크 전류(IA)를 검출하는 하나의 전류 검출 장치(20) 및 아크 전압(UA)을 검출하는 하나의 전압 검출 장치(22)가 배치된다.
전류 검출 장치(20)는 예를 들어 아크 전류(IA)의 세기를 검출하도록, 즉 전기 조절 유닛(12)에 의해 전극들(62)에 공급되는 전류의 세기를 검출하도록 구성된 전류계(ammeter) 또는 전류계 트랜스포머(ammeter transformer)일 수 있다. 전압 검출 장치(22)는 전위차, 즉 용융될 금속 물질에 대하여 전극들(62) 간의 거리에 의존하는 전극들(62)의 아크 전압(UA)을 검출하도록 구성된 전압계(voltmeter) 또는 전압계 트랜스포머(voltmeter transformer)일 수 있다.
몇몇 실시예들에 따르면(도 1), 기기(10)는 전기 조절 유닛(12) 및 전력 네트워크(50)에 연결되어, 전기로(60) 내에 전기 아크의 안정화 조건(stable condition)을 결정하기 위하여, 전기 조절 유닛(12)에 전송될 적어도 기준 전류값(reference current value)(IR)을 계산하도록 구성된 제어 및 명령 유닛(control and command unit)(16)을 포함한다.
제어 및 명령 유닛(16)은 또한 전기 아크 세기의 다른 조정들을 위해 기준 전압값(reference voltage value)(UR)을 계산하도록 구성되며, 이는 이하에서 설명된다.
제어 및 명령 유닛(16)은 외부 전력 네트워크(50)에 의해 입구에 공급되는 적어도 전력 전류(Ii) 및 전력 전압(Ui)을 바탕으로 하는 기준 전류(IR) 및 기준 전압(UR)의 기준값들, 및 검출 장치들(20, 22)에 의해 검출되는 아크 전류(IA) 및 아크 전압(UA)의 기준값들을 결정하도록 구성된다.
특히, 제어 및 명령 유닛(16)은 전기 조절 유닛(12)의 기능을 조절하여, 전기량(아크 전압(UA) 및 아크 전류(IA))이 해당 진폭 및 상대적 상 이동(relative phase shift)에 도달하여, 아크가 유지 보수되고 손실을 최소화하도록 감소되는 작동 주파수(operating frequency)를 갖게 한다.
도 1에 도시된 방안에 따르면, 제어 및 명령 유닛(16)은 전력 네트워크(50) 및 전기 조절 유닛(12) 사이에 연결된 전력 레귤레이터(power regulator)(27)를 포함한다.
전력 레귤레이터(27)는 기준 전류(IR), 기준 전압(UR), 및 파형의 주파수를 계산하도록 구성된다.
예를 들어 셋-포인트(set-point) 전력값인 전력 기준값(PS)은, 예를 들어 사용자에 의해 전력 레귤레이터(27)에 설정될 수 있다.
몇몇 실시예들에 따르면, 기준 전압(UR)은 용융/작업 단계의 기능으로서 계산되고, 그에 따라 기준 전류(IR)는 전력 기준값(PS)의 설정을 추적하도록 설정된다.
몇몇 실시예들에 따르면, 제어 및 명령 유닛(16)은 또한 전력 레귤레이터(27) 및 검출 장치들(20, 22)에 연결되어, 아크 전류(IA) 및 아크 전압(UA)에 관련된 입구 변수들에 근거하여 전기 아크의 수학적 모델을 결정하고, 아크의 안정성을 보장하고 가능한 최적의 방식으로 전력 기준값(PS)에 근거하여 공급되는 전력을 조절하도록, 최적의 기능 조건들을 결정하도록 구성된 처리 유닛(processing unit)(28)을 포함한다.
가능한 실시예에 따르면, 처리 유닛(28)은 전기 아크의 최적의 기능 조건들에 대응하는 적어도 이상 전류값(ideal current value)(I0) 및 이상 전압값(ideal voltage value)(U0)을 계산하도록 구성될 수 있고, 이는 기준 전류(IR) 및 기준 전압(UR)을 결정하도록 전력 레귤레이터에 공급될 수 있다.
몇몇 실시예들에 따르면, 각각의 아크 전류(IA) 및 아크 전압(UA)의 검출 장치들(22, 24)과 제어 및 명령 유닛(16) 사이에, 본 실시예에서는 처리 유닛(28)에, 신호 조건화 요소들(signal conditioning elements)(30, 32)이 제공될 수 있다. 각 신호 조건화 요소(30, 32)는 고려되어야 할 기준값에 근거하여 아크 전류(IA) 또는 아크 전압(UA)과 관련된 신호를 증폭 및 안정화하도록 구성된다. 기준값은 평균값(mean value), 순시값(instantaneous value), 또는 실제값(actual value)일 수 있다.
각 신호 조건화 요소(30, 32)는 처리 유닛(28)에 의해 안정화되고 처리되기에 적절한 안정화 전류값(stabilized current value)(IA') 및 안정화 전압값(stabilized voltage value)(UA')을 출구에서 얻을 수 있도록 한다.
가능한 변형예에 따르면, 도시하지 않았지만, 신호 조건화 요소들(30, 32)은 제어 및 명령 유닛(16)에서 합쳐질 수 있다.
몇몇 실시예들에 따르면(도 1), 전기 조절 유닛(12)은 제어 및 명령 유닛(16)과 컨버터 장치(18) 사이에 위치한 전류 조절 장치(42)를 포함하며, 이 장치(42)는 제어 및 명령 유닛(16)에 의해 계산된 기준 전류값(IR)을 입구에서 수신하도록 구성된다.
가능한 실시예에 따르면, 전류 조절 장치(42)는 히스테리시스(hysteresis) 레귤레이터 또는 PWM(Pulse-Width-Modulation) 레귤레이터일 수 있으며, 이는 인버터들 및 결합 점유(band occupation)의 스위칭 주파수를 조절하고, 또한 기기의 손실을 감소시킬 수 있다. 전류 조절 장치(42)는 특히 전극(62)에 공급되어야 하는 아크 전류(IA)의 파형(wave form)을 결정한다.
몇몇 실시예들에 따르면, 전류 조절 장치(42)는 제공되는 각 전극(62)에 동일한 파형의 단일 전류 모듈레이션(single current modulation)을 갖기 위하여 컨버터 장치(18)의 조절을 결정할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에 따르면, 전류 조절 장치(42)는 또한, 입구에서 기준 전류값 뿐 아니라 증폭 및 안정화된 안정화 전류값(IA') 및 안정화 전압값(UA')을 수신하고, 컨버터 장치(18)에 송신될 명령 신호를 결정하도록 이들을 처리하기 위하여, 단일 조건화 요소들(30, 32)에 연결될 수 있다.
가능한 변형예에 따르면, 전류 조절 장치(42)는 공급된 각 전극들(62)에 독립 전류 모듈레이션(independent current modulation)을 갖기 위하여 컨버터 장치(18)의 조절을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 기기(10)는 용융될 금속 물질에 가까이 또는 멀리 적어도 하나의 전극(62)이 이동할 수 있도록 하여, 그에 따라 용융 전력을 조절할 수 있도록 구성된 위치선정 장치(positioning device)(46)를 포함한다.
금속 물질에 대하여 전극(62)의 위치 변화는 전기 아크의 전압값을 결정하고, 그에 따라 전압 검출 장치(22)에 의해 검출되는 아크 전압(UA)의 조건들을 결정한다.
전극(62)의 위치를 조절함으로써, 이는 또한 생성되는 전기 아크 및 공급되는 용융 전력을 조절하는 것을 수행할 수 있다.
가능한 실시예에 따르면, 위치선정 장치(46)는 전극 제어 장치(44)에 연결될 수 있어, 이는 전극들의 위치를 제어하고 위치선정 장치(46)에 명령을 내리도록 구성되어, 전기 아크가 안정화되도록 한다.
전극 제어 장치(44)는 전극(62)의 위치를 제어하기 위하여 적어도 전압 검출 장치(22)에 연결된다.
가능한 실시예에 따르면, 전극 제어 장치(44)는 또한 제어 및 명령 유닛(16)에 의해 계산된 아크 전압(UA) 및 기준 전압(UR) 모두의 기능으로서 위치선정 장치(46)의 활성화를 명령하기 위한 제어 및 명령 유닛(16)에 연결된다.
구체적으로, 전극 제어 장치(44)는 아크 전압(UA)을 기준 전압(UR)으로 바꾸기 위해 위치선정 장치(46)를 조절한다.
도 1에 도시된 실시예에 따르면, 전극 제어 장치(44)는 조건화 요소(32)와 연결될 수 있어, 이들로부터 아크 전압(UA)에 관련된 안정화 전압값(UA')을 수신하고, 아크 전압의 기능으로서 위치선정 장치(46)를 제어한다.
본 발명의 가능한 실시예에 따르면, 위치선정 장치(46)는 기계적(mechanical) 액츄에이터, 전기(electric) 액츄에이터, 공압식(pneumatic) 액츄에이터, 유압식(hydraulic) 액츄에이터, 연접식(articulated) 메커니즘, 기계식 키네마티즘(mechanical kinematism), 및 이와 유사하거나 대응되는 구성 또는 이들의 가능한 조합 중 적어도 하나를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
가능한 변형예에 다르면, 전극 제어 장치(44)는 제어 및 명령 유닛(16)에 통합될 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 제어 및 명령 유닛(16)은 입구에서 전력 전류값(Ii), 전력 전압값(Ui), 아크 전류값(IA), 아크 전압값(UA), 및 가능하게는 전력 기준값(PS)를 수신한다.
제어 및 명령 유닛(16)은 수신된 데이터를 처리하고, 기준 전류값(IR) 및 기준 전압값(UR)을 결정하며, 이를 각각 전기 조절 유닛(12) 및 전압 조절 유닛(14)에 전송한다.
이러한 방식으로, 제어 및 명령 유닛(16)은 전극들(62)에 전력을 공급하도록 아크 전류(IA) 및 아크 전압(UA) 모두와 피드백으로 제어를 수행하여, 이상 전류값(I0) 및 이상 전압값(U0)에 대하여 가능한 편차들을 보상할 수 있다.
또한 몇몇 실시예에 따르면, 제어 및 명령 유닛(16)은 전극들(62)로의 전력 서플라이를 최적화하기 위하여, 셋-포인트 전력값(PS)을 실제 전력 전류(Ii) 및 전력 전압(Ui), 및 아크 전류(IA) 및 아크 전압(UA)과 비교하여, 기준 전류(IR, 기준 전압(UR), 및 양쪽의 파형 주파수를 계산한다.
이러한 방식으로 기준 전류값(IR) 및 기준 전압값(UR)은, 전기 조절 유닛(12)에서의 작동에 의한 전기 아크를 제어하는 제1 제어와, 위치선정 장치(46)에서의 작동에 의한 전기 아크를 제어하는 제2 제어를 각각 수행하기 위하여, 독립적으로 사용될 수 있다.
구체적으로, 제1 제어는 전기 아크의 전류에서의 급작스런 변화들을 보상하도록, 그리고 전기 부품들의 가능한 손상을 방지하도록 수행될 수 있고, 제2 제어는 예를 들어 표준 기능화 조건들에 근거하여 결정되는, 시간에 대한 점진적 그리고 예상 가능한 아크 전압에서의 변화들을 보상하여, 낮은 주파수에서 전기 아크를 조절할 수 있다.
이러한 이중 제어는 과부하의 문제들을 해결할 수 있으며, 특히 초기 시작 단계에서 로드(load)가 항상 불균형하게 될 때(unbalanced), 전기 아크의 메인터넌스(maintenance)를 간소화하고, 미리 예측할 수 없는 비표준 기능화 조건들을 보상할 수 있다.
이러한 해결책은 또한 전기 아크로(60)의 벽들에서, 예를 들어 온도차들에 기인한 부하 단락(short circuits)에 의해 유발된 손상을 방지하며: 이는 또한 전극들(62)이 시간에 대해 영향받기 쉬운 곳의 마모를 방지한다. 이는 기기(10) 및 전기 아크로(60)에서 수행되어야 하는 메인터넌스의 빈도를 감소시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 분야 및 범위로부터 벗어나지 않은 선에서 여기서 설명되고 도시된 기기 및 방법에 부분적인 변형 및/또는 추가가 가능한 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명은 몇몇의 특정 예시들을 통해 설명되었으며, 해당 분야의 통상의 기술자는 특허청구범위에 설명된 특징들을 가지고 기기 및 방법의 다른 변형 실시예들을 달성할 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위 내에 포함되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 전극(62) 및 상기 전극에 연결 가능하고 금속 물질을 용융하기 위해 전기 아크를 생성하도록 전기 에너지를 상기 전극(62)에 공급하는 전력 네트워크(50)를 포함하는 전기 아크로(60)를 위한 전기 전력 공급 기기로서,
    상기 전력 네트워크(50)는 3개의 상(phase)을 갖는 3상 전기 네트워크이고,
    상기 기기는, 상기 전력 네트워크(50) 및 상기 전극(62) 사이에 배치되어 연결되고, 상기 전극(62)에 전력을 공급하기 위하여 적어도 하나의 전기량을 조절하도록 구성된 전기 조절 유닛(12)을 포함하며,
    상기 기기는:
    상기 전극(62) 및 상기 전기 조절 유닛(12) 사이에 배치되어 상기 전기량을 검출하기 위한 적어도 하나의 검출 장치(20, 22);
    적어도 하나의 상기 전극(62)을 용융될 금속 물질에 가까이 또는 멀리 이동시키도록 구성된 위치선정 장치(46); 및
    상기 전기 조절 유닛(12), 상기 전력 네트워크(50), 및 상기 전기 조절 유닛(12) 및 상기 위치선정 장치(46)에 연결되어, 상기 전기 조절 유닛(12) 및 상기 위치선정 장치(46)를 제어하고, 상기 전기 조절 유닛(12)의 작동에 의한 전기 아크를 제어하는 제1 제어 및 상기 위치선정 장치(46)의 작동에 의한 전기 아크를 제어하는 제2 제어를 수행하기 위한 제어 및 명령 유닛(16);을 포함하고,
    상기 전기 조절 유닛(12)은, 서로 평행하게 상기 전력 네트워크(50)에 연결되어, 상기 전력 네트워크(50)의 전기 에너지를 상기 전극(62)에 전력을 공급하는 전기 에너지로 변환하도록 구성된 컨버터 장치(18)를 포함하고,
    각 모듈(34)은 상기 전력 네트워크(50) 상들(R, S, T) 각각에 하나씩 제공되는 3상의 서브-모듈들(34R, 34S, 34T)를 포함하고, 각 상 서브-모듈(34R, 34S, 34T)은, 상기 전력 네트워크(50)에 의해 공급되는 개별의 상 전류를 교정하고 조절하도록 구성된 교정 회로(straightening circuit)(36), 에너지를 저장하고 외부 전력 네트워크(50) 및 전극(62) 사이에서 분리(separation)를 생성하도록 구성된 직류의 중간 회로(intermediate circuit)(38), 및 출구에서 교류 전류의 주파수 및 진폭을 조절하여 변환하도록 구성된 인버터 회로(inverter circuit)(40)를 포함하는 전기 전력 공급 기기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 상 서브-모듈(34R, 34S, 34T)은 스타 센터들과 연결되고, 개별의 전력 상 서브-모듈(34R, 34S, 34T)의 스타 센터들은 서로 중성(neutral)(N)으로 연결되는 전기 전력 공급 기기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 회로(38)는 DC-link인 전기 전력 공급 기기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 회로(40)는 반도체, 다이오드, 사이리스터(thyristor), 트랜지스터로부터 선택되는 전기 전력 공급 기기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 교정 회로(36)는 제어된 다이오드 브리지(diode bridge) 또는 사이리스터 브리지(thyristor bridge)에 의해 달성되는 전기 전력 공급 기기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 및 명령 유닛(16)은, 상기 전기 조절 유닛(12)의 조절을 명령하기 위한 기준 전류값(IR)과, 상기 위치선정 장치(46)의 조절을 명령하기 위한 기준 전압값(UR) 중 적어도 하나를 계산하도록 구성되는 전기 전력 공급 기기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기기는, 아크 전류(IA)를 검출하기 위한 전류 검출 장치(20) 및 아크 전압(UA)을 검출하기 위한 전압 검출 장치(22)를 더 포함하고,
    상기 전류 검출 장치(20) 및 상기 전압 검출 장치(22)는 상기 제어 및 명령 유닛(16)에 연결되는 전기 전력 공급 기기.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 컨버터 장치(18)는 전극(62)에 전력을 공급하기 위하여, 상기 전력 네트워크(50)의 전력 전류(Ii) 및 전력 전압(Ui)을 전력 네트워크(50)에 아크 전류값(IA) 및 아크 전압값(UA)으로 변환하도록 구성되고,
    상기 제어 및 명령 유닛(16) 및 상기 컨버터 장치(18) 사이에 배치되어, 상기 제어 및 명령 유닛(16)에 의해 계산된 상기 기준 전류값(IR)을 입구에서 수신하도록 구성된 전류 조절 장치(42)를 더 포함하는 전기 전력 공급 기기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 위치선정 장치(46)는 상기 위치선정 장치(46)를 명령하여 상기 전기 아크가 안정화되도록 구성된 전극 제어 장치(44)에 연결되고,
    상기 전극 제어 장치(44)는 아크 전압(UA) 및 기준 전압(UR)의 기능으로서 상기 위치선정 장치(46)의 활성화를 명령하도록 적어도 상기 전압 검출 장치(22)에 연결되는 전기 전력 공급 기기.
  10. 전력 네트워크(50)에 의해 전력이 공급된 적어도 하나의 전극(62)에 의해 전기 아크를 생성하는 것과, 상기 전력 네트워크(50)와 상기 전극(62) 사이에 배치되고 연결되는 전기 조절 유닛(12)에 의해 상기 전극(62)에 전력을 공급하기 위해 적어도 하나의 전기량을 조절하는 것을 제공하는 전기 아크로(60)를 위한 전기 전력 공급 방법으로서,
    상기 전력 네트워크(50)는 3개의 상(phase)을 갖는 3상 전기 네트워크이고,
    상기 방법은:
    상기 전극(62) 및 상기 전기 조절 유닛(12) 사이에 배치된 적어도 하나의 검출 장치(20, 22)로 상기 전기량을 검출하는 단계;
    위치선정 장치(46)로 용융될 금속 물질에 가까이 또는 멀리 적어도 하나의 상기 전극(62)을 이동시키는 단계; 및
    상기 전기 조절 유닛(12)의 작동에 의한 전기 아크를 제어하는 제1 제어와, 상기 위치선정 장치(46)의 작동에 의해 전기 아크를 제어하는 제2 제어를 수행하기 위하여, 상기 전기 조절 유닛(12) 및 상기 위치선정 장치(46)를 제어하는 단계;를 포함하고,
    서로 평행하게 상기 전력 네트워크(50)에 연결되어 복수의 모듈들(34)을 구비하는 컨버터 장치(18)를 이용하여, 상기 전력 네트워크(50)의 전기 에너지를 상기 전극(62)에 전력을 공급하는 전기 에너지로 변환하는 단계를 포함하고,
    각 모듈(34)은 상기 전력 네트워크(50) 상들(R, S, T) 각각에 하나씩 제공되는 3상의 서브-모듈들(34R, 34S, 34T)를 포함하고, 각 상 서브-모듈(34R, 34S, 34T)은, 상기 전력 네트워크에 의해 공급되는 개별의 상 전류를 교정하고 조절하도록 구성되고, 에너지를 일시적으로 저장하고, 외부 전력 네트워크(50) 및 전극(62) 사이에서 직류의 중간 회로(38)를 통해 분리(separation)하며, 인버터 회로(40)를 통해 출구에서의 교류 전류의 주파수 및 진폭을 조절하여 변환하는 전기 전력 공급 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기 조절 유닛(12) 및 상기 위치선정 장치(46)를 제어하는 단계는,
    상기 전기 조절 유닛(12)의 조절을 명령하기 위한 기준 전류값(IR) 및 상기 위치선정 장치(46)의 조절을 명령하기 위한 기준 전압값(UR) 중 적어도 하나를 계산하는 단계를 포함하는 전기 전력 공급 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기량을 검출하는 단계는,
    아크 전류(IA) 및 아크 전압(UA)을 검출하는 단계를 제공하는 전기 전력 공급 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 위치선정 장치(46)는 아크 전압(UA) 및 수신된 기준 전압(UR)의 기능으로서 전극 제어 장치(44)의 명령에 의해 활성화되는 전기 전력 공급 방법.
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