WO2009087176A1 - Electronic power supply device for arc furnace powered by alternating current - Google Patents

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WO2009087176A1
WO2009087176A1 PCT/EP2009/050140 EP2009050140W WO2009087176A1 WO 2009087176 A1 WO2009087176 A1 WO 2009087176A1 EP 2009050140 W EP2009050140 W EP 2009050140W WO 2009087176 A1 WO2009087176 A1 WO 2009087176A1
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WO
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power supply
voltage
supply device
alternating
furnace
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/050140
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French (fr)
Inventor
Philippe Ladoux
Gianluca Postiglione
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Institut National Polytechnique De Toulouse
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Publication date
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00Heating by electric discharge
    • H05B7/02Details
    • H05B7/144Power supplies specially adapted for heating by electric discharge; Automatic control of power, e.g. by positioning of electrodes
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/275Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/293Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to an arc furnace powered by alternating current. More particularly, the invention relates to an electronic power supply device capable of controlling the active and reactive powers at an arc furnace powered by alternating current. Electric arc furnaces are used especially in the steel industry for the production of steel for the melting of scrap metal.
  • Such arc furnaces operate under voltages of the order of a few hundred volts and currents of the order of a few tens of kiloamperes.
  • a steel plant using, for example, a conventional three-phase AC arc furnace as illustrated in FIG. 1, the supply of said furnace is made from a high voltage network UH, of the order of a few tens to a few hundred kilovolts.
  • a first step-down transformer 8 makes it possible to create a voltage level, called medium voltage UM, of the order of a few kilovolts to a few tens of kilovolts, from which other parts of the steel plant are also supplied with power.
  • the three-phase arc furnace 1 which operates at low voltage UB, that is to say of the order of a few hundred volts, is supplied from the medium voltage using a second step-down transformer, said furnace transformer 5, which comprises a load adjuster adapted to adapt a voltage of a secondary circuit 53 of said transformer oven during operation of the arc furnace 1, depending on the load.
  • an inductor 6 is connected in series upstream of a primary circuit 52 of the furnace transformer 5 and makes it possible to limit the short-circuit current.
  • the reciprocating arc furnace 1 comprises a melting vessel 1 1, receiving in an inner part 11 scrap 13, and three electrodes 12 mobile, mainly in height, each connected to one of the phases of the secondary circuit 53 of the transformer. furnace 5. Electric arcs 14 between the electrodes 12 and the scrap 13 cause the melting of the latter.
  • a control of the electrical power absorbed by the arc furnace 1 is made from mechanical positional regulations of the electrodes 12 which, by a vertical displacement of the electrodes 12, allow the average length of the electric arcs to be approximately adjusted.
  • a load of scrap is made during a cycle of operation of the electric arc furnace 1.
  • the cycle forty minutes in general, consists of:
  • the operation of the furnace 1 is carried out with short arcs under reduced tension in order to limit the risks of arc extinction.
  • the arc length is then increased during the melting phase to reach a nominal operating point of the furnace.
  • the scrap motions inside the furnace can also lead to a short-circuit between a moving electrode 12 and the scrap 13.
  • the arc current fluctuates and the arc voltage is minimal.
  • the active power absorbed on the network then tends to zero and the reactive power is maximum.
  • Another disadvantage of existing arc furnaces 1 relates to the position of the electrodes 12 regulators.
  • these position regulations of the electrodes make it possible to control the operating point of the arc furnace 1 and limit the fluctuations of the active and reactive powers.
  • these positional controls have a slow dynamic, with a response time substantially of the order of one second. Therefore, the electric power can not be controlled under any circumstances.
  • the scale of a period of the power grid which is for example twenty milliseconds in France, and the active power transfer between the network and the furnace is not optimal.
  • the invention relates to an electronic power supply device for an arc furnace supplied with alternating current at a voltage UM of a supply network comprising at least one phase.
  • the device is placed between the power supply network and a voltage-reducing furnace transformer with a constant ratio between an input voltage of said furnace transformer and a so-called low-voltage voltage UB for supplying the furnace.
  • the electronic power supply device comprises:
  • Each reciprocating-alternating conversion means D rj delivers an output voltage VS I J as a function of a value cx u of a control parameter between 0 and 1.
  • each value ⁇ is developed from an error signal between a current value representative of a measured arc current and a current setpoint l r ⁇ f .
  • the electronic power supply device comprises a control loop of a current rms value representative of a measured arc current and an active power regulation loop which acts as long as the current reference l ref is less than a predefined maximum value l max .
  • the current rms value is therefore limited to l max and the reactive power is kept constant.
  • the first category secondary winding (s) taken as a whole are determined so as to define a maximum predefined reactive power Q during the short-circuit phases.
  • the number N of alternative reciprocating conversion means D, j is determined so that the sum of the output voltages Vs I1
  • the alternative-to-alternative conversion means D g comprise elementary-to-alternative elementary converters B
  • Jt , with t 1 to q> 1 associated in parallel and whose output voltage Vsi is determined by the value of ⁇ u received by said alternating-AC elementary converters B IJt .
  • all second category secondary windings (23) and all alternative-to-alternative conversion means D 1 are identical.
  • the value ⁇ , j is taken, for each phase i, equal to a value ⁇ ,.
  • the invention also relates to an electric arc furnace powered by alternating current under a low voltage network UB which comprises:
  • a melting tank adapted to receive scrap in an interior part of said tank
  • one or more electrodes able to generate electric arcs between said electrodes and scrap placed inside the vessel, the electrode or electrodes being connected to a secondary circuit of a furnace transformer, for converting a UM voltage; a low-voltage power supply network UB supplying the electrodes, characterized in that the oven is powered by the electronic power supply device, said device being placed between the supply network and a primary circuit of the furnace transformer.
  • the phases of the primary and secondary circuits of the furnace transformer are star-coupled with a neutral output.
  • the phases of the primary and secondary circuits of the furnace transformer are coupled in a triangle.
  • FIG. 1 already mentioned, an overall and principle diagram of a supply of an AC arc furnace with a conventional power supply according to the prior art
  • FIG. 2 is a block diagram of an AC arc furnace with an electronic power supply device according to the invention, according to a first embodiment
  • FIG. 3 a block diagram of one of the elements of the electronic power supply device according to the invention, for a phase, 4, an example of an alternative-AC conversion means of the electronic power supply according to the invention,
  • FIG. 5 an example of a direct-AC direct converter comprising an AC-to-AC conversion means
  • FIG. 6a, 6b an exemplary operating principle of an AC-AC elementary converter comprising a direct converter, based on FIG. four-segment switches,
  • FIGS. 7a, 7b two examples of four-segment switches
  • FIG. 8 an example of an AC voltage chopper comprising two nested cells with three-segment switches
  • FIG. 9 a block diagram of a regulation of the electronic power supply device according to the first embodiment
  • Figure 12a an illustration of a reactive power absorbed by the oven and a conventional power supply
  • FIG. 12b an illustration of a reactive power, for a phase, absorbed by the furnace and the first embodiment of the electronic power supply device
  • FIG. 13 is an illustration of instantaneous apparent power of a static compensator for an arc furnace with a conventional power supply and an arc furnace with the first embodiment of the electronic power supply device
  • FIG. 14 an illustration of a flicker index P st generated by the arc furnace with the first embodiment of the electronic power supply device
  • FIG. 15 an overall and principle diagram of an arc furnace according to a second embodiment of the electronic power supply device of the invention
  • FIG. 16 a block diagram of a regulation of the second embodiment of the electronic power supply device
  • FIG. 17 an illustration of a total active power transmitted to the scrap of a furnace with a conventional power supply (1) and of an oven with the second embodiment of the electronic power supply device (2),
  • Figure 18a an illustration of a total reactive power, absorbed by the furnace and a conventional power supply
  • Figure 18b an illustration of a total reactive power, absorbed by the furnace and the second embodiment of the electronic power supply device. power
  • FIG 19 an illustration of an apparent power of a static compensator for an arc furnace with a conventional power supply and an arc furnace with the second embodiment of the electronic power supply device
  • FIG. 20 is an illustration of a flicker index P st generated by the arc furnace with the second embodiment of the electronic power supply device.
  • An AC arc furnace 1 as shown in FIG. 2, comprises:
  • At least one melting electrode 12 At least one melting electrode 12.
  • the arc furnace 1 is fed by a low voltage network UB, for example a network obtained by a step-down furnace transformer.
  • a low voltage network UB for example a network obtained by a step-down furnace transformer.
  • the medium voltage network UM is, for example a network obtained by lowering in a transformer 8 of a high voltage network UH electrical distribution.
  • the tank 1 1, adapted to receive in an inner portion 11 1 scrap 13 to be melted, is conventionally made of a refractory material.
  • the arc furnace is advantageously described in the case where it is powered by a three-phase network.
  • the three-phase MV medium voltage network comprises three phases
  • three fusion electrodes 12 are movable above the vessel 1 1 and are each connected to one of the three phases of a secondary circuit 53 of the furnace transformer 5 .
  • the heights of the electrodes 12 above the tank 1 1 are adjustable in a known manner.
  • a device 2 for electronic power supply of the arc furnace 1 is inserted in series between the medium voltage source UM and a primary circuit 52 of the furnace transformer 5.
  • the three-phase network comprises three phases called a, b, c.
  • an inductor 6 is connected in series in the supply circuit of the primary circuit 52 of the furnace transformer 5 to limit a short circuit current when one of the electrodes 12 comes into contact with the scrap 13 , during a merge operation.
  • the electronic power supply device 2 of the arc furnace 1 receives a setpoint value P ref , a value determined according to a step of a melting cycle in which the arc furnace operates. 1.
  • the device 2 electronic power supply essentially comprises a three-phase transformer 21, for example a three-phase transformer with columns having three columns.
  • the three-phase transformer 21 comprises, as illustrated in FIG. 3, for each column 211: a primary winding 22, at least one secondary winding of a first category 24, at least one secondary winding of a second category 23, and on at least secondary second-class windings 23, alternative-conversion means Dy, where the index i is one of the phases a, b or c, and the index j is an integer denoting the number of the conversion means alternative alternative.
  • the three primary windings 22 are coupled in a triangle.
  • the primary and secondary windings of first and second categories 22, 23, 24, in addition to sections of wires adapted to the powers involved, are such that a voltage Vsi across the secondary windings of first and second category 23, 24, mounted in series or at least a desired maximum voltage at the input of the primary circuit 52 of the furnace transformer 5, taking into account the constant active power regulation range required for the furnace.
  • the placing in series of the secondary windings 23, 24 leads to an upward operation of the transformer 21
  • Each AC-AC conversion means has two input terminals ay, by, connected to a secondary second category winding 23, and two output terminals Cy, dy.
  • first alternative-to-alternative conversion means Dn the second alternative-to-alternative conversion means Dj 2 and the N-th alternative-to-alternative conversion means DJN have been represented.
  • Dy are connected in series and connected with the secondary winding of first category 24. More precisely, the terminal of is connected with the terminal c- ⁇ , the terminal d12 is connected with the terminal Cj 3 , and so on. The terminal djN is connected with a terminal Cj of the secondary winding of a first category 24.
  • FIG. 4 schematically represents an alternative-to-AC conversion means Dy of the electronic power supply device 2.
  • the alternating-alternating conversion means Dy comprises between the input terminals a and bj an input filter 25 intended to eliminate a AC component of a current at a given switching frequency.
  • the input filter 25 is a low pass filter which comprises, for example, essentially a capacitor C e and an inductance L e .
  • the inductance L e may be, for example, a leakage inductance of the secondary winding of a second category 23.
  • the alternating-alternating conversion means D, j comprises, between output terminals e, ] t f, j of input filter, a direct-to-AC direct converter C y .
  • Said AC direct-AC converter is a device delivering an output AC voltage whose effective value is adjustable from a given input AC voltage.
  • Each direct converter C j preferably comprises, as illustrated in FIG. 5, a number q of alternating-AC elementary converters Bi j t where the index t is an integer denoting the number of the elementary-to-alternative elementary converter between 1 and q, q> 1, in order to distribute the total current.
  • the elementary converters 3 yt are connected in parallel, between the terminals e u and f, j , and comprise an inductance Lq of current smoothing output.
  • said converters are of the AC voltage chopper type.
  • the principle of operation of an AC voltage chopper is shown in Figures 6a, 6b.
  • the AC voltage chopper comprises a switching cell 26 comprising controllable switches 27 and making it possible to obtain, on the scale of a switching period, an average voltage less than or equal to the input voltage without excessive heat dissipation. thanks to said switches operating in blocked / passing mode.
  • the chopper includes bidirectional current and voltage switches, called four-segment switches, so as to obtain operation in the four quadrants of the voltage-current plane.
  • FIGS. 7a and 7b illustrate examples of four-segment switches comprising an assembly of diodes D and transistors T of the Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) type or of the Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT) type.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor
  • the AC voltage chopper comprises a nesting in opposition of two switching cells comprising unidirectional voltage and bidirectional current switches, called three-segment switches.
  • a three-segment switch is formed by the inverse paralleling of a diode D1 and a transistor T1, (respectively a diode D2, D3, or D4 and a transistor T2, T3 or T4), of the IGBT or IGCT type.
  • This configuration also makes it possible to operate in the four quadrants of the voltage-current plane. This example makes it possible to guarantee, during the changes of state of the switches, so-called natural commutations, thanks to commutations disjoined by a dead time sufficient to avoid the simultaneous conduction of the two transistors.
  • voltage V 2 i j is determined based on the withstand voltage by semiconductor used to make the AC-AC converters elementary B yt.
  • the number N of series-converted reciprocating conversion means is selected so that where V n is a nominal operating voltage of the arc furnace.
  • the number N of reciprocating AC conversion means connected in series is determined so that
  • the adjustable output voltage V Sl for each phase i, keeps the active power P constant over a wide range of fluctuation of an arc voltage.
  • the active power P is no longer regulated and the reactive power Q is maintained at the value ⁇ ' c . ⁇ .
  • An apparent power of the furnace S c u on a phase i is determined by where Ui represents an output current for a phase i.
  • An apparent power S convi of all the elementary converters B ⁇ on a phase i is determined by:
  • the set of elementary converters is dimensioned for an apparent power lower than that of the furnace.
  • the range of adjustment of the output voltage Vsi can be increased so that the apparent power of all the elementary converters S CO nvi is substantially equal to half the apparent load power, either
  • said electronic power supply device 2 for an arc furnace 1 is inserted in series on the medium voltage network U M , with a connection of a neutral point on the medium voltage side U M and tank side 1 1.
  • the electronic power supply device 2 according to this first embodiment can be installed on new sites.
  • the phases of the primary circuits 52 and secondary 53 of the furnace transformer 5 are star-coupled with the neutral output.
  • the vessel 1 1 of the furnace 1 comprises a bottom electrode 1 12.
  • the primary circuit 52 of the furnace transformer 5 is connected via the neutral n to the electronic power supply device 2.
  • the secondary circuit 53 of the furnace transformer 5 is connected by the neutral n 'to the hearth electrode 1 12.
  • This first embodiment of the arc furnace makes it possible to obtain an independence of the line currents, which makes it possible to impose constant power operation on each phase i. This operation considerably reduces the impact of the fluctuations of the arc voltage and the unbalanced regime of the arc furnace 1 on the performance of the feed device of said furnace.
  • FIG. 9 A schematic diagram of a regulation of the electronic power supply device is shown in FIG. 9.
  • Said regulation comprises, for each phase i, two nested control loops.
  • a first loop called fast loop 3aj
  • a second loop called slow loop 4a ⁇
  • P 1 the active power
  • Each direct converter Cy of each alternative-to-alternative conversion means Dy and each phase i is controlled by the value ⁇ y generated by the fast loop.
  • the fast loop 3a ⁇ comprises a corrector 31 a * which generates the value ⁇ y from a current error signal ⁇ between a current setpoint I r ⁇ f elaborated by the slow loop 4a ⁇ and the value of the arc current measured lj ⁇ ff .
  • the corrector 31 ai has a limiter which limits the value ⁇ y between a predefined minimum value and a predefined maximum value
  • the slow 4AJ loop includes a corrector 41 have that develops the reference current I ref from an active power error signal ⁇ p between P ref power setpoint and the measured active power P].
  • the active power control loop 4aj acts as long as the current setpoint l ref is lower than the maximum preset value l max . When the current setpoint developed by the corrector reaches the value Imax, the current rms value is therefore limited to l max and the reactive power is kept constant.
  • the power setpoint is defined as a function of the melting cycle of the furnace 1 and makes it possible to impose constant active power operation P except for the short-circuit phases.
  • the current setpoint l r ⁇ f is limited, which makes it possible to obtain a constant reactive power operation Q.
  • the correctors 31 ai, 41 a t are correctors of the Proportional Integral type Pl.
  • the fast loop 3a ⁇ comprises a module 34ai for calculating an effective value of an arc current lj ⁇ ff for a phase i, which receives an input representative of the output current Isr of a column of the three-phase transformer 21 via, for example, a current transformer 32aj.
  • the slow loop 4a comprises a module 44aj for calculating an active power value Pj for a phase i, which receives:
  • the terminals dj of the first category secondary winding 24 of each phase i are interconnected and connected to the neutral n.
  • FIG. 10 illustrates, for a phase, the operating zones of an arc furnace and presents, for the same values of arc voltage, the active power P and the reactive power Q, calculated at the primary circuit 52 of the furnace transformer 5 for an oven with a conventional feed (curve 1), an oven with a conventional feed and a 10% increase in the voltage at the primary circuit 52 of the furnace transformer 5 (curve 3) and the furnace with the feed device 2 power electronics according to the invention operating at constant active or reactive power (curve 2).
  • Curve 1 in FIG. 10 represents the values of the active power P and the reactive power Q obtained during operation of the oven with a conventional power supply.
  • FIG. 10 shows that the value of the reactive power Q is very important, especially during a short circuit, where it reaches the double the active power P which can be transmitted to the arc furnace 1.
  • each direct converter Cy adjusts the rms value of the voltage to the primary circuit 52 of the furnace transformer 5 so as to impose an active power operation P constant.
  • each direct converter Cy operates at constant reactive power Q, the value ⁇ y is reduced in order to limit the current.
  • the three-phase transformer 21 allows each direct converter Cy to extend the constant power operation over a wider range of variation of the arc voltage.
  • the constant active power operation P makes it possible to increase the electrical energy transmitted to the scrap 13 and the constant reactive power operation Q allows, during the phases of short circuit, to reduce the fluctuations of said reactive power Q, which decreases the risk of flicker appearing.
  • FIG. 11 A comparison between the active power P, for a phase, transmitted to the steel bath, during an end-of-fusion sequence, an oven with a conventional feed (curve 1) and the oven with the device 2 of electronic power supply according to the invention (curve 2) is illustrated in FIG. 11.
  • the variations of the active power P of the furnace with the electronic power supply device 2 are greatly reduced compared with those of the furnace with a conventional power supply, which thus makes it possible to increase the transferred active power without penalty. in the bath.
  • FIGS. 12a and 12b illustrate a comparison between the total reactive power Q calculated at the primary circuit 52 of the furnace transformer 5, during an end-of-fusion sequence, of an oven with a conventional power supply (FIG. 12a). , and the oven with the electronic power supply device 2 according to the invention (FIG. 12b).
  • the reactive power variations of the furnace with the electronic power supply device 2 according to the invention are greatly reduced compared to a conventional furnace.
  • FIG. 13 illustrates an instantaneous apparent power S c omp at the static reactive power and unbalance compensator 7 for an oven with a conventional power supply (curve 1) and the oven with the power supply device 2 (curve 2).
  • the apparent power S c omp fluctuates much less and represents only 25% of the total power S n om of the oven instead of about 160% at certain times.
  • a value of a flicker index Pst generated by the furnace with the electronic power supply device according to the invention associated with the static compensator of reactive power and imbalance 7 is calculated at the point of connection to the high voltage network (PCC) and shown in Figure 14.
  • the flicker index P st gg does not exceed a normative value equal to 1.
  • the oven with the electronic power supply device 2 according to the invention and the static compensator 7 makes it possible to eliminate the flicker phenomenon at the point of connection P cc while increasing the electrical energy transmitted to the scrap by substantially 8%.
  • the dimensioning of the electronics used in the furnace with the electronic power supply device 2 according to the invention and the static compensator 7 is much smaller than that of a static compensator associated with an oven with a conventional power supply. .
  • the electronic power supply device 2 is inserted in series. on the medium voltage source UM, without connection of a neutral point on the medium voltage side and on the furnace side.
  • This second embodiment of the device 2 electronic power supply is particularly suitable with a furnace installed on an existing site.
  • FIG. 16 A schematic diagram of a regulation of the electronic power supply device 2 is shown in FIG. 16.
  • the regulation of the electronic power supply device 2 makes it possible to control an effective value of a direct component of the currents in order to impose a constant total active power operation.
  • Said regulation comprises two nested regulation loops.
  • a first loop called fast loop 3b, allows the control of an effective value of the direct component of the arc currents Ide ff -
  • a second loop called the slow loop 4b, regulates the total active power P.
  • Each direct converter C n is controlled by a value ⁇ u generated by the fast loop 3b.
  • all the secondary windings of second category 23 and all the elementary-reciprocating converters B ut are similar and all the values a, t are taken equal to a single control value ⁇ .
  • the fast loop 3b comprises a corrector 31b which generates a value ⁇ from an error signal ⁇ between a set current reference ref ref of the slow loop 4b and the rms value of the direct component of the arc currents.
  • the corrector 31b includes a limiter which limits the value ⁇ between a predefined minimum value and a predefined maximum value -
  • the slow loop 4b includes a corrector 41b which generates the current setpoint l r ⁇ f from an error signal ⁇ p between the power setpoint P r ⁇ f and the measured active power P.
  • Said setpoint is defined according to the melting cycle of the arc furnace and makes it possible to impose a constant active power operation P constant.
  • the total active power constant P operation makes it possible to increase the total electrical energy transmitted to the scrap metal.
  • the correctors are correctors of the Proportional Integral type Pl.
  • the fast loop 3b comprises a module 34b for calculating the rms value of the direct component of the arc currents Idem which receives: an input representative of an output current Isb for the phase b via for example, a current transformer 32b,
  • the slow loop 4b includes a module 44b for calculating the total active power value P and the total reactive power Q, which receives:
  • an input representative of an output current ls c for phase c via, for example, a current transformer 33b, an input representative of an output voltage between the terminals a and c of two columns of the transformer via, for example, a voltage transformer 42b,
  • the slow loop 4b comprises, at the output of the module 44b, a module 45b which compares the total measured active power P and the total measured reactive power Q and which retains the maximum of the two values.
  • each phase a, b, c are connected to each other and form a neutral point.
  • This operation makes it possible to improve the power factor of the installation and to considerably reduce the total reactive power Q of the installation during a short circuit.
  • Simulations carried out for an operating cycle of an arc furnace 1 with the electronic power supply device according to this second embodiment made it possible to evaluate a gain made on the electrical energy transmitted to the oven and a level of flicker on the power network.
  • FIG. 1 A comparison between the total active power P transmitted to the steel bath, at the end of the melting sequence, of an oven with a conventional feed (curve 1) and of the furnace with the second embodiment of the device of electronic power supply according to the invention (curve 2) is illustrated in FIG.
  • the active power P of the furnace according to the invention is greatly reduced compared to an oven with a conventional feed, which makes it possible to increase the average value of the power transferred to the bath.
  • FIGS. 18a and 18b illustrate a comparison between the total reactive power Q calculated at the primary circuit 52 of the furnace transformer 5, during a fusion sequence, of a furnace with a conventional power supply (FIG. 18a) and of FIG. oven with the second embodiment of the electronic power supply device according to the invention ( Figure 18b).
  • the variations in reactive power Q of the oven according to the invention are greatly reduced compared to an oven with a conventional feed.
  • FIG. 19 illustrates the apparent power S COmp of the static compensator for reactive power and unbalance and for a conventional power supply and the second embodiment of the electronic power supply device proposed by the invention.
  • the value of a flicker index Pst generated by the furnace with the second embodiment of the electronic power supply device according to the invention associated with its static compensator of reactive power and unbalance 7 is calculated at the connection point P cc to the high voltage network and shown in Figure 20.
  • the The value of the flicker index is such that the phenomenon of flicker disturbs the network.
  • the second embodiment of the electronic power supply device of the furnace 1 with the static compensator of reactive power and imbalance 7 makes it possible to eliminate the flicker at the connection point P cc to the high-voltage network while increasing the electrical energy transmitted. scrap.
  • the sizing of the electronic portion used in the second embodiment of the electronic power supply device of the furnace is much smaller than that of a reactive power compensator associated with an arc furnace with a conventional power supply.
  • the addition of said electronic power supply device makes it possible to increase the active power transmitted to the arc furnace, substantially on the order of 10% over one operating cycle, and to reduce the reactive power absorbed.
  • Said electronic power supply device makes it possible to eliminate a load adjuster on furnace transformer 5, required on a furnace with a conventional power supply, and to reduce the design power of the static compensator. The increase in active power transmitted over one operating cycle makes it possible to increase the productivity of the kiln in almost the same proportions.
  • Decreases in the active and reactive power variations allow a reduction of the sizing power of the static compensator in a ratio of at least three, thereby reducing the cost of the static compensator.
  • the removal of the load regulator finally reduces maintenance at the furnace transformer.

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Abstract

The invention relates to a power supply device (2) for an arc furnace (1) powered by an alternating current, and for controlling the active and reactive powers at said arc furnace. The supply device is provided on the side of a high-voltage network comprising at least one phase upstream from a voltage-lowering furnace transformer (5). The supply device includes a transformer (21) including a plurality of secondary windings (23), each secondary winding including a direct alternating-alternating converter Cij producing an output voltage adjustable on each phase from a given input alternating voltage.

Description

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR FOUR A ARC ALIMENTE EN COURANT ALTERNATIF ELECTRONIC POWER SUPPLY DEVICE FOR ALTERNATING CURRENT ARC FURNACE
L'invention est relative à un four à arc alimenté en courant alternatif. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif d'alimentation électronique de puissance apte à contrôler les puissances active et réactive au niveau d'un four à arc alimenté en courant alternatif. Les fours à arc électrique de puissance sont utilisés notamment en sidérurgie pour la production d'acier pour la fusion de ferrailles de récupération.The invention relates to an arc furnace powered by alternating current. More particularly, the invention relates to an electronic power supply device capable of controlling the active and reactive powers at an arc furnace powered by alternating current. Electric arc furnaces are used especially in the steel industry for the production of steel for the melting of scrap metal.
De tels fours à arc fonctionnent sous des tensions de l'ordre de quelques centaines de volts et des courants de l'ordre de quelques dizaines de kiloampères.Such arc furnaces operate under voltages of the order of a few hundred volts and currents of the order of a few tens of kiloamperes.
Il existe deux types principaux de fours à arc électrique, ceux alimentés en courants continus et ceux alimentés en courants alternatifs.There are two main types of electric arc furnaces, those with direct current and those with alternating current.
Dans une usine sidérurgique utilisant, par exemple, un four 1 à arc alternatif triphasé conventionnel, comme illustré sur la figure 1 , l'alimentation dudit four est réalisée à partir d'un réseau haute tension UH, de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de kilovolts. Généralement, un premier transformateur abaisseur 8 permet de créer un niveau de tension, dit moyenne tension UM, de l'ordre de quelques kilovolts à quelques dizaines de kilovolts, à partir duquel d'autres parties de l'usine sidérurgique sont aussi alimentées. Le four à arc alternatif triphasé 1 qui fonctionne sous basse tension UB, c'est-à-dire de l'ordre de quelques centaines de volts, est alimenté à partir de la moyenne tension à l'aide d'un second transformateur abaisseur, dit transformateur de four 5, qui comporte un régleur en charge apte à adapter une tension d'un circuit secondaire 53 dudit transformateur de four en cours de fonctionnement du four à arc 1 , en fonction de la charge. De préférence, une inductance 6, est raccordée en série en amont d'un circuit primaire 52 du transformateur de four 5 et permet de limiter le courant de court circuit. Le four à arc alternatif 1 comporte une cuve de fusion 1 1 , recevant dans une partie intérieure 1 11 des ferrailles 13, et trois électrodes 12 mobiles, principalement en hauteur, reliées chacune à l'une des phases du circuit secondaire 53 du transformateur de four 5. Des arcs électriques 14 entre les électrodes 12 et les ferrailles 13 provoquent la fusion de ces dernières.In a steel plant using, for example, a conventional three-phase AC arc furnace, as illustrated in FIG. 1, the supply of said furnace is made from a high voltage network UH, of the order of a few tens to a few hundred kilovolts. Generally, a first step-down transformer 8 makes it possible to create a voltage level, called medium voltage UM, of the order of a few kilovolts to a few tens of kilovolts, from which other parts of the steel plant are also supplied with power. The three-phase arc furnace 1 which operates at low voltage UB, that is to say of the order of a few hundred volts, is supplied from the medium voltage using a second step-down transformer, said furnace transformer 5, which comprises a load adjuster adapted to adapt a voltage of a secondary circuit 53 of said transformer oven during operation of the arc furnace 1, depending on the load. Preferably, an inductor 6 is connected in series upstream of a primary circuit 52 of the furnace transformer 5 and makes it possible to limit the short-circuit current. The reciprocating arc furnace 1 comprises a melting vessel 1 1, receiving in an inner part 11 scrap 13, and three electrodes 12 mobile, mainly in height, each connected to one of the phases of the secondary circuit 53 of the transformer. furnace 5. Electric arcs 14 between the electrodes 12 and the scrap 13 cause the melting of the latter.
Un contrôle, de la puissance électrique absorbée par le four à arc 1 est réalisé à partir de régulations mécaniques de position des électrodes 12 qui, par un déplacement vertical des électrodes 12, permettent de régler approximativement la longueur moyenne des arcs électriques 14. La fusion d'un chargement de ferrailles est réalisée au cours d'un cycle de fonctionnement du four à arc électrique 1. Le cycle, d'une quarantaine de minutes en général, consiste en :A control of the electrical power absorbed by the arc furnace 1 is made from mechanical positional regulations of the electrodes 12 which, by a vertical displacement of the electrodes 12, allow the average length of the electric arcs to be approximately adjusted. a load of scrap is made during a cycle of operation of the electric arc furnace 1. The cycle, forty minutes in general, consists of:
- un chargement d'un premier panier de ferrailles 13 dans la cuve 1 1 du four 1 , - une mise en contact des électrodes 12 avec les ferrailles 13, pour créer un courant de court-circuit, puis une remontée des électrodes 12 pour amorcer les arcs,- A loading of a first basket of scrap 13 in the tank 1 1 of the furnace 1, - contacting the electrodes 12 with the scrap 13, to create a short-circuit current, then a rise of the electrodes 12 to start bows,
- une période dite de forage pendant laquelle les électrodes 12 sont descendues lorsque les arcs électriques 14, par fusion d'une partie des ferrailles 13, provoquent l'apparition d'un puits dans lesdites ferrailles,a so-called drilling period during which the electrodes 12 are lowered when the electric arcs 14, by melting of a part of the scrap 13, cause the appearance of a well in said scrap,
- une période de fusion dans laquelle l'ensemble des ferrailles 13 placé dans la cuve 1 1 est fondu progressivement, - un arrêt temporaire du fonctionnement du four à arc 1 pour charger un second panier de ferrailles 13 dans le four à arc 1 , ledit four à arc étant le plus souvent à pleine charge après ce second chargement,a melting period in which all the scrap 13 placed in the vessel 1 1 is gradually melted, a temporary stop of the operation of the arc furnace 1 for charging a second scrap basket 13 in the arc furnace 1, said arc furnace being most often at full load after this second charging,
- un redémarrage du four à arc 1 avec amorçage des arcs électriques 14,a restart of the arc furnace 1 with initiation of the electric arcs 14,
- une période de forage,- a drilling period,
- une période de fusion, jusqu'à ce que les ferrailles 13 du deuxième panier soient entièrement fondues,- a melting period, until the scrap 13 of the second basket is completely melted,
- enfin, une étape d'affinage au cours de laquelle la température du bain est maintenue pendant l'apport d'additifs pour ajuster la qualité de l'acier. Durant cette séquence, il est possible de réduire la hauteur des électrodes afin de travailler avec des longueurs d'arc réduites et protéger ainsi les parois de la cuve du rayonnement.- Finally, a refining step during which the bath temperature is maintained during the supply of additives to adjust the quality of the steel. During this sequence, it is possible to reduce the height of the electrodes to work with reduced arc lengths and thus protect the walls of the tank from radiation.
D'importantes perturbations sont liées aux mouvements de la ferraille à l'intérieur du four.Significant disturbances are related to the movements of scrap inside the furnace.
D'une part, les mouvements de la ferraille entraînent une variation de la tension d'arc conduisant à des extinctions d'arc ou des courts-circuits.On the one hand, the movements of scrap lead to a variation of the arc voltage leading to arc extinguishing or short circuits.
Lors des séquences de forage et de fusion, lorsqu'un arc est amorcé entre une électrode 12 et les ferrailles 13, lesdites ferrailles commencent à fondre. Les effondrements des ferrailles 12 à l'intérieur de la cuve 11 entraînent un accroissement de la distance entre les électrodes 12 et les ferrailles 13. Si la longueur d'arc devient telle que la tension d'arc est trop importante, l'arc s'éteint. Ce phénomène est accompagné de l'annulation des courants prélevés sur le réseau, ce qui entraîne une variation brusque des puissances active et réactive.During drilling and melting sequences, when an arc is initiated between an electrode 12 and the scrap 13, said scrap begins to melt. The collapses of the scrap 12 inside the tank 11 cause an increase in the distance between the electrodes 12 and the scrap 13. If the arc length becomes such that the arc voltage is too great, the arc 'off. This phenomenon is accompanied by the cancellation of the currents taken from the network, which causes a sudden variation of the active and reactive powers.
Généralement, pendant les séquences de forage et en début de fusion, le fonctionnement du four 1 s'effectue avec des arcs courts sous tension réduite afin de limiter les risques d'extinction d'arc. La longueur d'arc est ensuite augmentée au cours de la phase de fusion pour atteindre un point de fonctionnement nominal du four. Les mouvements de ferrailles à l'intérieur du four peuvent aussi entraîner une mise en court-circuit entre une électrode mobile 12 et les ferrailles 13. Lors de ces mises en court-circuit, le courant d'arc fluctue et la tension d'arc est minimale. La puissance active absorbée sur le réseau tend alors vers zéro et la puissance réactive est maximale.Generally, during the drilling sequences and at the beginning of melting, the operation of the furnace 1 is carried out with short arcs under reduced tension in order to limit the risks of arc extinction. The arc length is then increased during the melting phase to reach a nominal operating point of the furnace. The scrap motions inside the furnace can also lead to a short-circuit between a moving electrode 12 and the scrap 13. During these short-circuiting, the arc current fluctuates and the arc voltage is minimal. The active power absorbed on the network then tends to zero and the reactive power is maximum.
D'autre part, lors de l'effondrement des ferrailles 12 à l'intérieur de la cuve, les courts-circuits et des extinctions d'arc se succèdent. Les courants absorbés par le four sont donc très fluctuants et déséquilibrés. Les variations des puissances active et réactive supportées par le réseau sont importantes et, lorsqu'elles sont mal maîtrisées, provoquent des perturbations électriques, en particulier sous forme de « flicker », c'est-à-dire des fluctuations basse fréquence de la valeur efficace de la tension, entraînant un « papillotement » des éclairages sur des dispositifs raccordés au réseau haute tension UH. Afin de diminuer le phénomène de flicker sur un réseau d'alimentation, une solution consiste à installer un compensateur statique de puissance réactive et de déséquilibre 7 en amont du four à arc 1 , généralement au niveau de la moyenne tension UM. Pour avoir une certaine efficacité, ledit compensateur statique de puissance réactive et de déséquilibre 7 doit être dimensionné, en puissance apparente, au moins pour le double de la puissance du four à arc 1 , ce qui en fait un dispositif très lourd, volumineux.On the other hand, during the collapse of the scrap 12 inside the tank, the short circuits and arc extinguishing succeed one another. The currents absorbed by the furnace are therefore very fluctuating and unbalanced. The variations of the active and reactive powers supported by the network are important and, when they are poorly controlled, cause electrical disturbances, in particular in the form of "flicker", that is to say, low frequency fluctuations of the value. effective voltage, causing "flickering" of lighting on devices connected to the high voltage network UH. In order to reduce the phenomenon of flicker on a power supply network, one solution consists in installing a static compensator for reactive power and imbalance 7 upstream of the arc furnace 1, generally at the level of the medium voltage UM. To have some efficiency, said static compensator reactive power and unbalance 7 must be sized, in apparent power, at least twice the power of the arc furnace 1, which makes it a very heavy device, bulky.
Un autre inconvénient des fours à arc 1 existants concerne les régulations de position des électrodes 12. En effet, ces régulations de position des électrodes permettent de contrôler le point de fonctionnement du four à arc 1 et limiter les fluctuations des puissances active et réactive. Cependant, compte tenu des masses en mouvement, de l'ordre de quelques tonnes par électrode, ces régulations de position ont une dynamique lente, avec un temps de réponse sensiblement de l'ordre de la seconde. Par conséquent la puissance électrique ne peut en aucun cas être contrôlée à l'échelle d'une période du réseau électrique, qui est par exemple de vingt millisecondes en France, et le transfert de puissance active entre le réseau et le four se révèle peu optimal.Another disadvantage of existing arc furnaces 1 relates to the position of the electrodes 12 regulators. In fact, these position regulations of the electrodes make it possible to control the operating point of the arc furnace 1 and limit the fluctuations of the active and reactive powers. However, given the masses in motion, of the order of a few tons per electrode, these positional controls have a slow dynamic, with a response time substantially of the order of one second. Therefore, the electric power can not be controlled under any circumstances. the scale of a period of the power grid, which is for example twenty milliseconds in France, and the active power transfer between the network and the furnace is not optimal.
L'invention concerne un dispositif d'alimentation électronique de puissance pour four à arc alimenté en courant alternatif sous une tension UM d'un réseau d'alimentation comportant au moins une phase. Le dispositif est placé entre le réseau d'alimentation et un transformateur de four abaisseur de tension à rapport constant entre une tension d'entrée dudit transformateur de four et une tension, dite basse tension UB, d'alimentation du four. Suivant l'invention, le dispositif d'alimentation électronique de puissance comporte :The invention relates to an electronic power supply device for an arc furnace supplied with alternating current at a voltage UM of a supply network comprising at least one phase. The device is placed between the power supply network and a voltage-reducing furnace transformer with a constant ratio between an input voltage of said furnace transformer and a so-called low-voltage voltage UB for supplying the furnace. According to the invention, the electronic power supply device comprises:
- au moins un transformateur comportant lui-même, pour chaque phase : o au moins un bobinage primaire, o au moins un bobinage secondaire d'une première catégorie délivrant une tension V3J, i = 1 à un nombre de phases du réseau, o N bobinages secondaires d'une seconde catégorie délivrant des tensions V2Jj1 avec j = 1 à N ≥ 1 ,at least one transformer comprising, for each phase, at least one primary winding, at least one secondary winding of a first category delivering a voltage V 3J , i = 1 to a number of phases of the network, N secondary windings of a second category delivering voltages V 2Jj1 with j = 1 to N ≥ 1,
- un moyen de conversion de tension alternatif-alternatif Dy, associé à chaque bobinage secondaire de seconde catégorie, apte à délivrer une tension Vsy réglable inférieure ou égale àa means for converting alternating-alternating voltage Dy, associated with each secondary winding of the second category, capable of delivering an adjustable voltage Vsy equal to or less than
V2ij sur des bornes de sortie (cy.dy) dudit moyen de conversion, et dans lequel lesdites bornes de sortie (cy.dy) du ou des moyens de conversion Dy et le au moins un bobinage secondaire de première catégorie sont raccordés en série de sorte que les tensions Vsy aux bornes desdits moyens de conversion et dudit au moins un bobinage secondaire de première catégorie s'ajoutent pour délivrer une tension V8= V3, +
Figure imgf000007_0001
d'alimentation du four au travers du transformateur de four. Chaque moyen de conversion alternatif-alternatif Drj délivre une tension de sortie VSIJ en fonction d'une valeur cxu d'un paramètre de commande, compris entre 0 et 1.
V 2 ij to output terminals (cy.dy) of said conversion means, and wherein said output terminals (cy.dy) of the at least one conversion means Dy and the at least one first-class secondary winding are connected to one another; series so that Vsy voltages at the terminals of said conversion means and said at least one secondary winding of first category are added to deliver a voltage V 8 = V 3 , +
Figure imgf000007_0001
feeding the oven through the furnace transformer. Each reciprocating-alternating conversion means D rj delivers an output voltage VS I J as a function of a value cx u of a control parameter between 0 and 1.
Avantageusement, chaque valeur α,, est élaborée à partir d'un signal d'erreur entre une valeur de courant représentative d'un courant d'arc mesuré et une consigne en courant lrβf.Advantageously, each value α ,, is developed from an error signal between a current value representative of a measured arc current and a current setpoint l rβf .
Avantageusement, le dispositif d'alimentation électronique de puissance comporte une boucle de contrôle d'une valeur efficace de courant représentative d'un courant d'arc mesuré et une boucle de régulation de puissance active qui agit tant que la consigne de courant lref est inférieure à une valeur maximale prédéfinie lmax. Lorsque la consigne de courant élaborée par un correcteur atteint la valeur lmax, la valeur efficace de courant est donc limitée à lmax et la puissance réactive est maintenue constante.Advantageously, the electronic power supply device comprises a control loop of a current rms value representative of a measured arc current and an active power regulation loop which acts as long as the current reference l ref is less than a predefined maximum value l max . When the current setpoint developed by a corrector reaches the value l max , the current rms value is therefore limited to l max and the reactive power is kept constant.
De préférence, le ou les bobinages secondaires de première catégorie pris dans leur ensemble sont déterminés de sorte à définir une puissance réactive Q prédéfinie maximale lors des phases de court-circuit.Preferably, the first category secondary winding (s) taken as a whole are determined so as to define a maximum predefined reactive power Q during the short-circuit phases.
De préférence, le nombre N de moyens de conversion alternatif alternatif D,j est déterminée de sorte que la somme des tensions de sortie VsI1 Preferably, the number N of alternative reciprocating conversion means D, j is determined so that the sum of the output voltages Vs I1
N des bobinages secondaires de première et seconde catégorie, V3, + ^VSlJ ,N secondary windings of first and second category, V 3 , + ^ V SlJ ,
est supérieure à une tension nominale de fonctionnement du four.is greater than a nominal operating voltage of the oven.
Les moyens de conversion alternatif-alternatif Dg comportent des convertisseurs élémentaires alternatif-alternatif B|Jt, avec t = 1 à q > 1 associés en parallèles et dont la tension de sortie Vsi est déterminée par la valeur de αu reçue par lesdits convertisseurs élémentaires alternatif-alternatif BIJt.The alternative-to-alternative conversion means D g comprise elementary-to-alternative elementary converters B | Jt , with t = 1 to q> 1 associated in parallel and whose output voltage Vsi is determined by the value of α u received by said alternating-AC elementary converters B IJt .
De préférence, tous les bobinages secondaires de seconde catégorie (23) et tous les moyens de conversion alternatif-alternatif D1, sont identiques. Avantageusement, la valeur α,j est prise, pour chaque phase i, égale à une valeur α,. L'invention est également relative à un four électrique à arc de puissance alimenté en courant alternatif sous un réseau basse tension UB qui comporte :Preferably, all second category secondary windings (23) and all alternative-to-alternative conversion means D 1 are identical. Advantageously, the value α, j is taken, for each phase i, equal to a value α ,. The invention also relates to an electric arc furnace powered by alternating current under a low voltage network UB which comprises:
- une cuve de fusion apte à recevoir des ferrailles dans une partie intérieure de ladite cuve,a melting tank adapted to receive scrap in an interior part of said tank,
- une ou des électrodes aptes à générer des arcs électriques entre lesdites électrodes et les ferrailles placées à l'intérieur de la cuve, la ou les électrodes étant reliées à un circuit secondaire d'un transformateur de four, de conversion d'une tension UM d'un réseau d'alimentation en basse tension UB d'alimentation des électrodes, caractérisé en ce que le four est alimenté par le dispositif d'alimentation électronique de puissance, ledit dispositif étant placé entre le réseau d'alimentation et un circuit primaire du transformateur de four. Dans un mode de réalisation d'un four triphasé, les phases des circuits primaire et secondaire du transformateur de four sont couplées en étoile avec un neutre sorti.one or more electrodes able to generate electric arcs between said electrodes and scrap placed inside the vessel, the electrode or electrodes being connected to a secondary circuit of a furnace transformer, for converting a UM voltage; a low-voltage power supply network UB supplying the electrodes, characterized in that the oven is powered by the electronic power supply device, said device being placed between the supply network and a primary circuit of the furnace transformer. In one embodiment of a three-phase furnace, the phases of the primary and secondary circuits of the furnace transformer are star-coupled with a neutral output.
Dans un autre mode de réalisation d'un four triphasé, les phases des circuits primaire et secondaire du transformateur de four sont couplées en triangle.In another embodiment of a three-phase furnace, the phases of the primary and secondary circuits of the furnace transformer are coupled in a triangle.
La description détaillée de l'invention est faite en référence aux figures qui représentent :The detailed description of the invention is made with reference to the figures which represent:
Figure 1 , déjà citée, un schéma d'ensemble et de principe d'une alimentation d'un four à arc à courant alternatif avec une alimentation conventionnelle selon l'art antérieur,FIG. 1, already mentioned, an overall and principle diagram of a supply of an AC arc furnace with a conventional power supply according to the prior art,
Figure 2, un schéma d'ensemble et de principe d'un four à arc à courant alternatif avec un dispositif d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention, suivant un premier mode de réalisation,FIG. 2 is a block diagram of an AC arc furnace with an electronic power supply device according to the invention, according to a first embodiment,
Figure 3, un schéma de principe d'un des éléments du dispositif d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention, pour une phase, Figure 4, un exemple d'un moyen de conversion alternatif-alternatif de l'alimentation électronique suivant l'invention,FIG. 3, a block diagram of one of the elements of the electronic power supply device according to the invention, for a phase, 4, an example of an alternative-AC conversion means of the electronic power supply according to the invention,
Figure 5, un exemple d'un convertisseur direct alternatif-alternatif composant un moyen de conversion alternatif-alternatif, Figure 6a, 6b, un exemple de principe de fonctionnement d'un convertisseur élémentaire alternatif-alternatif composant un convertisseur direct, à base d'interrupteurs quatre segments,FIG. 5, an example of a direct-AC direct converter comprising an AC-to-AC conversion means, FIG. 6a, 6b, an exemplary operating principle of an AC-AC elementary converter comprising a direct converter, based on FIG. four-segment switches,
Figures 7a, 7b, deux exemples d'interrupteurs quatre segments,FIGS. 7a, 7b, two examples of four-segment switches,
Figure 8, un exemple d'un hacheur de tension alternative comportant deux cellules imbriquées avec des interrupteurs trois segments,FIG. 8, an example of an AC voltage chopper comprising two nested cells with three-segment switches,
Figure 9, un schéma de principe d'une régulation du dispositif d'alimentation électronique de puissance suivant le premier mode de réalisation,FIG. 9, a block diagram of a regulation of the electronic power supply device according to the first embodiment,
Figure 10, une représentation dans un plan Q-P des puissances active et réactive pour une phase, suivant le premier mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance,10, a representation in a Q-P plane of the active and reactive powers for a phase, according to the first embodiment of the electronic power supply device,
Figure 11 , une illustration d'une puissance active, pour une phase, transmise aux ferrailles d'un four avec une alimentation conventionnelle (1 ) et d'un four avec le premier mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance (2),11, an illustration of an active power, for a phase, transmitted to the scrap of an oven with a conventional power supply (1) and an oven with the first embodiment of the electronic power supply device (2). )
Figure 12a, une illustration d'une puissance réactive absorbée par le four et une alimentation conventionnelle,Figure 12a, an illustration of a reactive power absorbed by the oven and a conventional power supply,
Figue 12b, une illustration d'une puissance réactive, pour une phase, absorbée par le four et le premier mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance,FIG. 12b, an illustration of a reactive power, for a phase, absorbed by the furnace and the first embodiment of the electronic power supply device,
Figure 13, une illustration d'une puissance apparente instantanée d'un compensateur statique pour un four à arc avec une alimentation conventionnelle et un four à arc avec le premier mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance, Figure 14, une illustration d'un indice de flicker Pst engendré par le four à arc avec le premier mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance,Figure 13 is an illustration of instantaneous apparent power of a static compensator for an arc furnace with a conventional power supply and an arc furnace with the first embodiment of the electronic power supply device, FIG. 14, an illustration of a flicker index P st generated by the arc furnace with the first embodiment of the electronic power supply device,
Figure 15, un schéma d'ensemble et de principe d'un four à arc suivant un second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance de l'invention,FIG. 15, an overall and principle diagram of an arc furnace according to a second embodiment of the electronic power supply device of the invention,
Figure 16, un schéma de principe d'une régulation du second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance,FIG. 16, a block diagram of a regulation of the second embodiment of the electronic power supply device,
Figure 17, une illustration d'une puissance active totale transmise aux ferrailles d'un four avec une alimentation conventionnelle (1 ) et d'un four avec le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance (2),FIG. 17, an illustration of a total active power transmitted to the scrap of a furnace with a conventional power supply (1) and of an oven with the second embodiment of the electronic power supply device (2),
Figure 18a, une illustration d'une puissance réactive totale, absorbée par le four et une alimentation conventionnelle, Figure 18b, une illustration d'une puissance réactive totale, absorbée par le four et le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance,Figure 18a, an illustration of a total reactive power, absorbed by the furnace and a conventional power supply, Figure 18b, an illustration of a total reactive power, absorbed by the furnace and the second embodiment of the electronic power supply device. power,
Figure 19, une illustration d'une puissance apparente d'un compensateur statique pour un four à arc avec une alimentation conventionnelle et un four à arc avec le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance,Figure 19, an illustration of an apparent power of a static compensator for an arc furnace with a conventional power supply and an arc furnace with the second embodiment of the electronic power supply device,
Figure 20, une illustration d'un indice de flicker Pst engendré par le four à arc avec le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance. Un four à arc 1 à courant alternatif, comme illustré sur la figure 2, comporte :Figure 20 is an illustration of a flicker index P st generated by the arc furnace with the second embodiment of the electronic power supply device. An AC arc furnace 1, as shown in FIG. 2, comprises:
- une cuve de fusion 11 ,a melting tank 11,
- au moins une électrode de fusion 12.at least one melting electrode 12.
Le four à arc 1 est alimenté par un réseau de basse tension UB, par exemple un réseau obtenu par un transformateur de four 5 abaisseur de tension à rapport constant entre un réseau de moyenne tension UM et le réseau basse tension UB. Le réseau de moyenne tension UM est, par exemple un réseau obtenu par abaissement dans un transformateur 8 d'un réseau haute tension UH de distribution électrique. La cuve 1 1 , apte à recevoir dans une partie intérieure 11 1 des ferrailles 13 devant être fondues, est réalisée de manière conventionnelle dans un matériau réfractaire.The arc furnace 1 is fed by a low voltage network UB, for example a network obtained by a step-down furnace transformer. constant-ratio voltage between a medium-voltage network UM and the low-voltage network UB. The medium voltage network UM is, for example a network obtained by lowering in a transformer 8 of a high voltage network UH electrical distribution. The tank 1 1, adapted to receive in an inner portion 11 1 scrap 13 to be melted, is conventionally made of a refractory material.
Le four à arc est avantageusement décrit dans le cas où il est alimenté par un réseau triphasé. Le réseau triphasé moyenne tension UM comporte trois phases ditesThe arc furnace is advantageously described in the case where it is powered by a three-phase network. The three-phase MV medium voltage network comprises three phases
A, B, C.A, B, C.
Dans le cas d'un tel four à arc alimenté par un réseau triphasé, trois électrodes 12 de fusion sont mobiles au dessus de la cuve 1 1 et sont reliées chacune à une des trois phases d'un circuit secondaire 53 du transformateur de four 5.In the case of such an arc furnace fed by a three-phase network, three fusion electrodes 12 are movable above the vessel 1 1 and are each connected to one of the three phases of a secondary circuit 53 of the furnace transformer 5 .
Afin d'ajuster la puissance moyenne utilisée par le four à arc 1 et de contrôler l'amorçage d'arcs électriques 14 entre les électrodes 12 et des ferrailles 13 déposées dans la cuve 11 , les hauteurs des électrodes 12 au dessus de la cuve 1 1 sont réglables de manière connue. Suivant l'invention, un dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance du four à arc 1 est inséré en série entre la source de moyenne tension UM et un circuit primaire 52 du transformateur de four 5.In order to adjust the average power used by the arc furnace 1 and to control the arcing 14 between the electrodes 12 and scrap 13 deposited in the tank 11, the heights of the electrodes 12 above the tank 1 1 are adjustable in a known manner. According to the invention, a device 2 for electronic power supply of the arc furnace 1 is inserted in series between the medium voltage source UM and a primary circuit 52 of the furnace transformer 5.
En sortie du dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance, le réseau triphasé comporte trois phases dites a, b, c. De préférence, sur chaque phase, une inductance 6 est raccordée en série dans le circuit d'alimentation du circuit primaire 52 du transformateur de four 5 afin de limiter un courant de court circuit lorsqu'une des électrodes 12 entre en contact avec les ferrailles 13, lors d'une opération de mise en fusion. En outre, le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance du four à arc 1 suivant l'invention reçoit une valeur de consigne Pref, valeur déterminée en fonction d'une étape d'un cycle de fusion dans laquelle fonctionne le four à arc 1. Le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance comporte essentiellement un transformateur triphasé 21 , par exemple un transformateur triphasé à colonnes comportant trois colonnes.At the output of the electronic power supply device 2, the three-phase network comprises three phases called a, b, c. Preferably, on each phase, an inductor 6 is connected in series in the supply circuit of the primary circuit 52 of the furnace transformer 5 to limit a short circuit current when one of the electrodes 12 comes into contact with the scrap 13 , during a merge operation. In addition, the electronic power supply device 2 of the arc furnace 1 according to the invention receives a setpoint value P ref , a value determined according to a step of a melting cycle in which the arc furnace operates. 1. The device 2 electronic power supply essentially comprises a three-phase transformer 21, for example a three-phase transformer with columns having three columns.
Le transformateur triphasé 21 comporte, comme illustré sur la figure 3, pour chaque colonne 211 : - un bobinage primaire 22, au moins un bobinage secondaire d'une première catégorie 24, au moins un bobinage secondaire d'une seconde catégorie 23, et sur au moins des sorties des bobinages secondaires de seconde catégorie 23, des moyens de conversions alternatif alternatif Dy, où l'indice i est une des phases a, b ou c, et l'indice j est un entier désignant le numéro du moyen de conversion alternatif alternatif.The three-phase transformer 21 comprises, as illustrated in FIG. 3, for each column 211: a primary winding 22, at least one secondary winding of a first category 24, at least one secondary winding of a second category 23, and on at least secondary second-class windings 23, alternative-conversion means Dy, where the index i is one of the phases a, b or c, and the index j is an integer denoting the number of the conversion means alternative alternative.
Avantageusement, les trois bobinages primaires 22 sont couplés en triangle.Advantageously, the three primary windings 22 are coupled in a triangle.
Une tension d'alimentation du bobinage primaire 22 d'une colonne 21 1 du transformateur triphasé 21 , pour chaque phase A, B, C est notée Vix, x= 1 à 3.A supply voltage of the primary winding 22 of a column 21 1 of the three-phase transformer 21, for each phase A, B, C is denoted Vi x , x = 1 to 3.
Les bobinages primaire et secondaires de première et seconde catégories 22, 23, 24, outre des sections de fils adaptées aux puissances mises en jeux, sont tels qu'une tension Vsi aux bornes des bobinages secondaires de première et seconde catégorie 23, 24, montés en série soit au moins une tension maximale voulue en entrée du circuit primaire 52 du transformateur de four 5, compte tenu de la plage de régulation à puissance active constante nécessaire pour le four.The primary and secondary windings of first and second categories 22, 23, 24, in addition to sections of wires adapted to the powers involved, are such that a voltage Vsi across the secondary windings of first and second category 23, 24, mounted in series or at least a desired maximum voltage at the input of the primary circuit 52 of the furnace transformer 5, taking into account the constant active power regulation range required for the furnace.
Dans un mode de réalisation, tel que celui de la figure 3, la colonne 211 du transformateur 21 comporte d'une part, un bobinage secondaire de première catégorie 24 délivrant une tension V3J et d'autre part N bobinages secondaires de seconde catégorie 23 identiques délivrant chacun une tension V2I1, j=1 à N, N>1. Il ne s'agit ici que d'un exemple de réalisation et les bobinages secondaires de seconde catégorie peuvent être différents. La mise en série des bobinages secondaires 23, 24 conduit à un fonctionnement élévateur du transformateur 21In one embodiment, such as that of FIG. 3, the column 211 of the transformer 21 comprises, on the one hand, a secondary winding of first category 24 delivering a voltage V 3J and secondly N secondary coils of second category 23 identical each delivering a voltage V 2I1 , j = 1 to N, N> 1. This is only an example embodiment and secondary windings of second category may be different. The placing in series of the secondary windings 23, 24 leads to an upward operation of the transformer 21
Chaque moyen de conversion alternatif-alternatif Dy comporte deux bornes d'entrée ay, by, raccordées à un bobinage secondaire de seconde catégorie 23, et deux bornes de sortie Cy, dy. Pour simplifier la figure 3, seul le premier moyen de conversion alternatif-alternatif Dn, le deuxième moyen de conversion alternatif-alternatif Dj2 et le N-ième moyen de conversion alternatif-alternatif DJN ont été représentés.Each AC-AC conversion means has two input terminals ay, by, connected to a secondary second category winding 23, and two output terminals Cy, dy. To simplify FIG. 3, only the first alternative-to-alternative conversion means Dn, the second alternative-to-alternative conversion means Dj 2 and the N-th alternative-to-alternative conversion means DJN have been represented.
Une tension de sortie entre les bornes de sortie Cy, dy de chaque moyen de conversion alternatif-alternatif Dy est notée par Vsy. Les bornes de sortie des moyens de conversion alternatif-alternatifAn output voltage between the output terminals Cy, dy of each AC-AC conversion means is noted by Vsy. The output terminals of the AC-AC conversion means
Dy sont mises en série et connectées avec Ie bobinage secondaire de première catégorie 24. Plus précisément, la borne du est raccordée avec la borne c-β, la borne dl2 est raccordée avec la borne Cj3, et ainsi de suite. La borne djN est raccordée avec une borne Cj du bobinage secondaire d'une première catégorie 24.Dy are connected in series and connected with the secondary winding of first category 24. More precisely, the terminal of is connected with the terminal c-β, the terminal d12 is connected with the terminal Cj 3 , and so on. The terminal djN is connected with a terminal Cj of the secondary winding of a first category 24.
Les moyens de conversion alternatif-alternatif Dy reçoivent des valeurs αy élaborées à partir d'une boucle de régulation de puissance de sorte qu'une tension Vs, en sortie du dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance, pour une phase i, soit égale à la somme des tensions :
Figure imgf000014_0001
La figure 4 représente schématiquement un moyen de conversion alternatif-alternatif Dy du dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance. Le moyen de conversion alternatif-alternatif Dy comporte entre les bornes d'entrée au et bj, un filtre d'entrée 25 destiné à éliminer une composante alternative d'un courant à une fréquence de découpage donnée. Le filtre d'entrée 25 est un filtre passe bas qui comporte, par exemple, essentiellement un condensateur Ce et une inductance Le. L'inductance Le peut être, par exemple, une inductance de fuite du bobinage secondaire d'une seconde catégorie 23. Le moyen de conversion alternatif-alternatif D,j comporte, entre des bornes de sortie e,]t f,j du filtre d'entrée, un convertisseur direct alternatif-alternatif Cy. Ledit convertisseur direct alternatif-alternatif est un dispositif délivrant une tension alternative de sortie dont la valeur efficace est réglable à partir d'une tension alternative d'entrée donnée. Chaque convertisseur direct Cj comporte, de préférence, comme illustré sur la figure 5, un nombre q de convertisseurs élémentaires alternatif- alternatif Bijt où l'indice t est un entier désignant le numéro du convertisseur élémentaire alternatif-alternatif, compris entre 1 et q, q > 1 , afin de se répartir le courant total. Les convertisseurs élémentaires 3yt sont reliés en parallèle, entre les bornes eu et f,j, et comportent une inductance Lq de lissage de courant en sortie.
The AC-AC conversion means receive αy values developed from a power control loop so that a voltage Vs at the output of the electronic power supply device 2 for a phase i is equal to to the sum of the tensions:
Figure imgf000014_0001
FIG. 4 schematically represents an alternative-to-AC conversion means Dy of the electronic power supply device 2. The alternating-alternating conversion means Dy comprises between the input terminals a and bj an input filter 25 intended to eliminate a AC component of a current at a given switching frequency. The input filter 25 is a low pass filter which comprises, for example, essentially a capacitor C e and an inductance L e . The inductance L e may be, for example, a leakage inductance of the secondary winding of a second category 23. The alternating-alternating conversion means D, j comprises, between output terminals e, ] t f, j of input filter, a direct-to-AC direct converter C y . Said AC direct-AC converter is a device delivering an output AC voltage whose effective value is adjustable from a given input AC voltage. Each direct converter C j preferably comprises, as illustrated in FIG. 5, a number q of alternating-AC elementary converters Bi j t where the index t is an integer denoting the number of the elementary-to-alternative elementary converter between 1 and q, q> 1, in order to distribute the total current. The elementary converters 3 yt are connected in parallel, between the terminals e u and f, j , and comprise an inductance Lq of current smoothing output.
Dans un mode préféré de réalisation des convertisseurs élémentaires alternatif-alternatif B,^, lesdits convertisseurs sont du type hacheur de tension alternative. Le principe de fonctionnement d'un hacheur de tension alternative est présenté sur les figures 6a, 6b. Le hacheur de tension alternative comporte une cellule de commutation 26 comportant des interrupteurs commandables 27 et permettant d'obtenir, à l'échelle d'une période de découpage, une tension moyenne inférieure ou égale à la tension d'entrée sans dissipation de chaleur excessive grâce auxdits interrupteurs fonctionnant en mode bloqué/passant.In a preferred embodiment of the AC-B alternative elementary converters, said converters are of the AC voltage chopper type. The principle of operation of an AC voltage chopper is shown in Figures 6a, 6b. The AC voltage chopper comprises a switching cell 26 comprising controllable switches 27 and making it possible to obtain, on the scale of a switching period, an average voltage less than or equal to the input voltage without excessive heat dissipation. thanks to said switches operating in blocked / passing mode.
Avantageusement, les commandes des convertisseurs élémentairesAdvantageously, the commands of the elementary converters
2π peuvent être entrelacées et décalées de — , ce qui permet de réduire q l'ondulation d'un courant de sortie total. Dans un exemple de réalisation de hacheur de tension alternative, le hacheur comporte des interrupteurs bidirectionnels en courant et en tension, dits interrupteurs quatre segments, de sorte à obtenir un fonctionnement dans les quatre quadrants du plan tension-courant. A titre d'exemples, les figures 7a et 7b illustrent des exemples d'interrupteurs quatre segments comportant un assemblage de diodes D et de transistors T du type Insulated Gâte Bipolar Transistor (IGBT) ou du type Integrated Gâte Commutated Thyristor (IGCT).2π can be interleaved and shifted by -, which reduces the ripple of a total output current. In an exemplary embodiment of an AC voltage chopper, the chopper includes bidirectional current and voltage switches, called four-segment switches, so as to obtain operation in the four quadrants of the voltage-current plane. By way of example, FIGS. 7a and 7b illustrate examples of four-segment switches comprising an assembly of diodes D and transistors T of the Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) type or of the Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT) type.
Dans un autre exemple de réalisation de hacheur de tension alternative, comme illustré figure 8, le hacheur de tension alternative comporte une imbrication en opposition de deux cellules de commutations comportant des interrupteurs unidirectionnels en tension et bidirectionnels en courant, dits interrupteurs trois segments. Un interrupteur trois segments est formé par la mise en parallèle inverse d'une diode D1 et d'un transistor T1 , (respectivement une diode D2, D3, ou D4 et un transistor T2, T3 ou T4), du type IGBT ou IGCT. Cette configuration permet d'obtenir aussi un fonctionnement dans les quatre quadrants du plan tension-courant. Cet exemple permet de garantir, lors des changements d'état des interrupteurs, des commutations dites naturelles, grâce à des commutations disjointes par un temps mort suffisant pour éviter la conduction simultanée des deux transistors.In another exemplary embodiment of an AC voltage chopper, as illustrated in FIG. 8, the AC voltage chopper comprises a nesting in opposition of two switching cells comprising unidirectional voltage and bidirectional current switches, called three-segment switches. A three-segment switch is formed by the inverse paralleling of a diode D1 and a transistor T1, (respectively a diode D2, D3, or D4 and a transistor T2, T3 or T4), of the IGBT or IGCT type. This configuration also makes it possible to operate in the four quadrants of the voltage-current plane. This example makes it possible to guarantee, during the changes of state of the switches, so-called natural commutations, thanks to commutations disjoined by a dead time sufficient to avoid the simultaneous conduction of the two transistors.
La valeur OCy (figures 3, 4, 5) représente un rapport cyclique réglable qui détermine la tension de sortie VSJ en agissant sur les q convertisseurs élémentaires alternatif-alternatif Byt, et dont la valeur est strictement comprise entre 0 et 1 , c'est-à-dire que pour ocij = 0, VSij = 0, ai] = 1 , Vsy = V2ij. Ainsi, suivant Ia valeur de αy, la tension de sortie totale Vsi est réglable entre une valeur minimale Vsi mjn (pour OCy=O) et une valeur maximaleThe value OCy (FIGS. 3, 4, 5) represents an adjustable duty cycle which determines the output voltage VSJ by acting on the q elementary converters AC-Byt, and whose value is strictly between 0 and 1, which is ie for ocij = 0, V Sij = 0, ai] = 1, Vsy = V 2ij . Thus, according to the value of αy, the total output voltage Vsi is adjustable between a minimum value Vsi m j n (for OCy = O) and a maximum value
Vsi max (POUr OCy=I ), OÙ :Vsi max (POUr OCy = I), where:
V ' Si mm - V 3;V 'Si mm - V 3;
A (3) c ι y Sι ma\ ~ ' il ^ / , γ lu 7=1A ( 3 ) c ι y Sι ma \ '' il ^ /, γ read 7 = 1
Avantageusement, la tension V2ij est déterminée en fonction de la tension admissible par des semi-conducteurs utilisés pour réaliser les convertisseurs élémentaires alternatif-alternatif Byt.Advantageously, voltage V 2 i j is determined based on the withstand voltage by semiconductor used to make the AC-AC converters elementary B yt.
Avantageusement, la tension minimale possible VSlmm = V31 est choisie de sorte à limiter une puissance réactive lors des phases de court- circuit Q CCi sur le four à arc 1 , tel que :Advantageously, the minimum possible voltage V Slmm = V 31 is chosen so as to limit a reactive power during the short circuit phases Q CC i on the arc furnace 1, such that:
V2 Q\ = ^- (4)V 2 Q \ = ^ - (4)
Λ ccι où X0Ci représente une réactance totale de court circuit. Λ ccι where X 0C i represents a total reactance of short circuit.
Avantageusement, afin de disposer d'une marge en tension suffisante pour éviter la perte du contrôle du courant et par conséquent conduire à des extinctions d'arc, le nombre N de moyens de conversion alternatif-alternatif montés en série est choisi de sorte que
Figure imgf000017_0001
où Vn est une tension nominale de fonctionnement du four à arc.
Advantageously, in order to have a sufficient voltage margin to prevent the loss of current control and consequently lead to arc extinction, the number N of series-converted reciprocating conversion means is selected so that
Figure imgf000017_0001
where V n is a nominal operating voltage of the arc furnace.
De préférence, le nombre N de moyens de conversion alternatif- alternatif montés en série est déterminé de sorte que
Figure imgf000017_0002
Preferably, the number N of reciprocating AC conversion means connected in series is determined so that
Figure imgf000017_0002
Ainsi, la tension réglable de sortie VSl , pour chaque phase i, permet de maintenir la puissance active P constante sur une large plage de fluctuation d'une tension d'arc. Lorsque la tension d'arc diminue de manière trop importante, la puissance active P n'est plus régulée et la puissance réactive Q est maintenue à la valeurβ'c.α .Thus, the adjustable output voltage V Sl , for each phase i, keeps the active power P constant over a wide range of fluctuation of an arc voltage. When the arc voltage decreases too important, the active power P is no longer regulated and the reactive power Q is maintained at the value β ' c . α .
Une puissance apparente du four Scu sur une phase i est déterminée par
Figure imgf000018_0001
où Ui représente un courant de sortie pour une phase i.
An apparent power of the furnace S c u on a phase i is determined by
Figure imgf000018_0001
where Ui represents an output current for a phase i.
Une puissance apparente Sconvi de l'ensemble des convertisseurs élémentaires Bφ sur une phase i est déterminée par :An apparent power S convi of all the elementary converters Bφ on a phase i is determined by:
Scomι = (V8, - V31)I8, (8)S comι = (V 8 , - V 31 ) I 8 , (8)
A l'aide des deux relations précédentes et en se plaçant dans uneUsing the two previous relationships and placing in a
V2 condition où Qca = — — , l'expression analytique de la puissance apparenteV 2 condition where Q ca = - -, the analytic expression of the apparent power
SConvi de l'ensemble des convertisseurs élémentaires est donnée par la relation suivante :
Figure imgf000018_0002
S C onvi of the set of elementary converters is given by the following relation:
Figure imgf000018_0002
Ainsi, l'ensemble des convertisseurs élémentaires est dimensionné pour une puissance apparente inférieure à celle du four.Thus, the set of elementary converters is dimensioned for an apparent power lower than that of the furnace.
De préférence, afin de garantir un meilleur contrôle du courant lSi en régime transitoire, la plage de réglage de la tension de sortie Vsi peut être augmentée de sorte que la puissance apparente de l'ensemble des convertisseurs élémentaires SCOnvi est sensiblement égale à la moitié de la puissance apparente de charge, soitPreferably, in order to guarantee a better control of the current I If in transient state, the range of adjustment of the output voltage Vsi can be increased so that the apparent power of all the elementary converters S CO nvi is substantially equal to half the apparent load power, either
^o,,,,, = 0.5Sc.,,, (10)^ o ,,,,, = 0.5S c . ,,, (10)
Dans un premier mode de réalisation du dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance pour un four à arc 1 , comme illustré sur la figure 2, ledit dispositif d'alimentation électronique de puissance est inséré en série sur le réseau de moyenne tension UM, avec un raccordement d'un point neutre coté moyenne tension UM et coté cuve 1 1. De préférence, le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance suivant ce premier mode de réalisation peut être installé sur de nouveaux sites.In a first embodiment of the electronic power supply device 2 for an arc furnace 1, as illustrated in FIG. 2, said electronic power supply device is inserted in series on the medium voltage network U M , with a connection of a neutral point on the medium voltage side U M and tank side 1 1. Preferably, the electronic power supply device 2 according to this first embodiment can be installed on new sites.
Dans ce premier mode, les phases des circuits primaire 52 et secondaire 53 du transformateur de four 5 sont couplées en étoile avec le neutre sorti. La cuve 1 1 du four 1 comporte une électrode de sole 1 12. Le circuit primaire 52 du transformateur de four 5 est raccordé par le neutre n au dispositif d'alimentation électronique de puissance 2. Le circuit secondaire 53 du transformateur de four 5 est raccordé par le neutre n' à l'électrode de sole 1 12.In this first mode, the phases of the primary circuits 52 and secondary 53 of the furnace transformer 5 are star-coupled with the neutral output. The vessel 1 1 of the furnace 1 comprises a bottom electrode 1 12. The primary circuit 52 of the furnace transformer 5 is connected via the neutral n to the electronic power supply device 2. The secondary circuit 53 of the furnace transformer 5 is connected by the neutral n 'to the hearth electrode 1 12.
Ce premier mode de réalisation du four à arc permet d'obtenir une indépendance des courants de ligne, ce qui permet d'imposer un fonctionnement à puissance constante sur chaque phase i. Ce fonctionnement réduit considérablement l'impact des fluctuations de la tension d'arc et du régime déséquilibré du four à arc 1 sur les performances du dispositif d'alimentation dudit four.This first embodiment of the arc furnace makes it possible to obtain an independence of the line currents, which makes it possible to impose constant power operation on each phase i. This operation considerably reduces the impact of the fluctuations of the arc voltage and the unbalanced regime of the arc furnace 1 on the performance of the feed device of said furnace.
Un schéma de principe d'une régulation du dispositif d'alimentation électronique est représenté sur la figure 9.A schematic diagram of a regulation of the electronic power supply device is shown in FIG. 9.
Ladite régulation comporte, pour chaque phase i, deux boucles de régulation imbriquées.Said regulation comprises, for each phase i, two nested control loops.
Une première boucle, dite boucle rapide 3aj, permet le contrôle d'une valeur efficace d'un courant d'arc ljβff. Une seconde boucle, dite boucle lente 4aι, régule la puissance active P1.A first loop, called fast loop 3aj, allows the control of an effective value of an arc current lj βff . A second loop, called slow loop 4aι, regulates the active power P 1 .
Chaque convertisseur direct Cy de chaque moyen de conversion alternatif-alternatif Dy et de chaque phase i est commandé par la valeur αy générée par la boucle rapide.Each direct converter Cy of each alternative-to-alternative conversion means Dy and each phase i is controlled by the value αy generated by the fast loop.
La boucle rapide 3aι comporte un correcteur 31 a* qui élabore la valeur αy à partir d'un signal d'erreur de courant ει entre une consigne de courant lf élaborée par de la boucle lente 4aι et la valeur du courant d'arc mesuré ljΘff. Le correcteur 31 ai comporte un limiteur qui limite la valeur αy entre une valeur minimale prédéfinie
Figure imgf000020_0001
et une valeur maximale prédéfinie
The fast loop 3aι comprises a corrector 31 a * which generates the value αy from a current error signal ει between a current setpoint I f elaborated by the slow loop 4aι and the value of the arc current measured lj Θff . The corrector 31 ai has a limiter which limits the value αy between a predefined minimum value
Figure imgf000020_0001
and a predefined maximum value
Œijmaχ--1 .Œijmaχ - 1.
De préférence, pour chaque phase i, tous les bobinages secondaires de seconde catégorie 23 et tous les convertisseurs élémentaires alternatif-alternatif Byt sont similaires et toutes les valeurs αy sont prises égales à une valeur de commande α,.Preferably, for each stage i, all the secondary windings of second group 23 and all AC-AC converters elementary By t are similar and all αy values are taken equal to a control value α ,.
La boucle lente 4aj comporte un correcteur 41 ai qui élabore la consigne de courant lref à partir d'un signal d'erreur de puissance active εp entre une consigne de puissance Pref et la puissance active mesurée P].The slow 4AJ loop includes a corrector 41 have that develops the reference current I ref from an active power error signal ε p between P ref power setpoint and the measured active power P].
Le correcteur 41 ai comporte un limiteur qui limite la valeur lrΘf entre une valeur minimale prédéfinie Un=O et une valeur maximale prédéfinie lmax. La boucle de régulation 4aj de puissance active agit tant que la consigne de courant lref est inférieure à la valeur maximale prédéfinie lmax. Lorsque la consigne de courant élaborée par le correcteur atteint la valeur Imax, la valeur efficace de courant est donc limitée à lmax et la puissance réactive est maintenue constante.The corrector 41 ai has a limiter which limits the value l rΘf between a predefined minimum value U n = 0 and a predefined maximum value l max . The active power control loop 4aj acts as long as the current setpoint l ref is lower than the maximum preset value l max . When the current setpoint developed by the corrector reaches the value Imax, the current rms value is therefore limited to l max and the reactive power is kept constant.
La consigne de puissance est définie en fonction du cycle de fusion du four 1 et permet d'imposer un fonctionnement à puissance active P constante hormis les phases de court-circuit. Lors des phases de court- circuit, la consigne de courant lrβf est limitée, ce qui permet d'obtenir un fonctionnement à puissance réactive Q constante.The power setpoint is defined as a function of the melting cycle of the furnace 1 and makes it possible to impose constant active power operation P except for the short-circuit phases. During the short-circuit phases, the current setpoint l rβf is limited, which makes it possible to obtain a constant reactive power operation Q.
Dans un exemple de réalisation, les correcteurs 31 ai, 41 at sont des correcteurs du type Proportionnel Intégral Pl. La boucle rapide 3aι comporte un module 34ai de calcul d'une valeur efficace d'un courant d'arc ljΘff pour une phase i, qui reçoit une entrée représentative du courant de sortie Isr d'une colonne du transformateur triphasé 21 via, par exemple, un transformateur de courant 32aj. La boucle lente 4a; comporte un module 44aj de calcul d'une valeur de puissance active Pj pour une phase i, qui reçoit :In an exemplary embodiment, the correctors 31 ai, 41 a t are correctors of the Proportional Integral type Pl. The fast loop 3aι comprises a module 34ai for calculating an effective value of an arc current lj Θff for a phase i, which receives an input representative of the output current Isr of a column of the three-phase transformer 21 via, for example, a current transformer 32aj. The slow loop 4a; comprises a module 44aj for calculating an active power value Pj for a phase i, which receives:
- une entrée représentative du courant de sortie Isi via un transformateur de courant 32aj. - une entrée représentative de la tension de sortie Vsi entre les bornesan input representative of the output current Isi via a current transformer 32aj. an input representative of the output voltage Vsi between the terminals
Cu du bobinage secondaire de seconde catégorie 23 et dj du bobinage secondaire de première catégorie 24 via un transformateur de tension 42aj.Cu secondary winding second category 23 and dj secondary winding first category 24 via a voltage transformer 42aj.
Les bornes dj du bobinage secondaire de première catégorie 24 de chaque phase i sont reliées entre elles et raccordées au neutre n.The terminals dj of the first category secondary winding 24 of each phase i are interconnected and connected to the neutral n.
La figure 10 illustre, pour une phase, les zones de fonctionnement d'un four à arc et présente, pour les mêmes valeurs de tension d'arc, les puissances active P et réactive Q, calculées au circuit primaire 52 du transformateur de four 5 pour un four avec une alimentation conventionnelle (courbe 1 ), un four avec une alimentation conventionnelle et une augmentation de 10% de Ia tension au circuit primaire 52 du transformateur de four 5 (courbe 3) et le four avec le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention fonctionnant à puissance active ou réactive constante (courbe 2). La courbe 1 sur la figure 10 représente les valeurs de la puissance active P et de la puissance réactive Q obtenues pendant le fonctionnement du four avec une alimentation conventionnelle.FIG. 10 illustrates, for a phase, the operating zones of an arc furnace and presents, for the same values of arc voltage, the active power P and the reactive power Q, calculated at the primary circuit 52 of the furnace transformer 5 for an oven with a conventional feed (curve 1), an oven with a conventional feed and a 10% increase in the voltage at the primary circuit 52 of the furnace transformer 5 (curve 3) and the furnace with the feed device 2 power electronics according to the invention operating at constant active or reactive power (curve 2). Curve 1 in FIG. 10 represents the values of the active power P and the reactive power Q obtained during operation of the oven with a conventional power supply.
Pour cette alimentation conventionnelle, les points de fonctionnement se répartissent suivant un arc de cercle. Les variations de la tension d'arc provoquent des fortes fluctuations de puissance active P et réactive Q. La figure 10 montre que la valeur de Ia puissance réactive Q est très importante, notamment lors d'un court-circuit, où elle atteint le double de la puissance active P qui peut être transmise au four à arc 1.For this conventional power supply, the operating points are distributed in a circular arc. The variations in the arc voltage cause strong fluctuations in the active power P and the reactive power Q. FIG. 10 shows that the value of the reactive power Q is very important, especially during a short circuit, where it reaches the double the active power P which can be transmitted to the arc furnace 1.
Lorsque la tension d'alimentation du four à arc avec une alimentation conventionnelle est augmentée (courbe 3), les points de fonctionnement sont décalés dans le plan QP et se répartissent suivant un arc de cercle plus grand que celui de la courbe 1. Ce fonctionnement présente les mêmes inconvénients qu'un four avec une alimentation conventionnelle, avec un facteur de puissance encore plus dégradé. Dans le cas du four avec le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance (courbe 2), chaque convertisseur direct Cy règle la valeur efficace de la tension au circuit primaire 52 du transformateur du four 5 de façon à imposer un fonctionnement à puissance active P constante. Lors des phases de court-circuit, chaque convertisseur direct Cy fonctionne à puissance réactive Q constante, la valeur αy est réduite afin de limiter le courant. Le transformateur triphasé 21 permet à chaque convertisseur direct Cy d'étendre le fonctionnement à puissance constante sur une plus large plage de variation de la tension d'arc.When the supply voltage of the arc furnace with a conventional power supply is increased (curve 3), the operation are offset in the plane QP and are distributed in an arc larger than that of the curve 1. This operation has the same disadvantages as an oven with a conventional power supply, with an even more degraded power factor. In the case of the furnace with the electronic power supply device 2 (curve 2), each direct converter Cy adjusts the rms value of the voltage to the primary circuit 52 of the furnace transformer 5 so as to impose an active power operation P constant. During the short-circuit phases, each direct converter Cy operates at constant reactive power Q, the value αy is reduced in order to limit the current. The three-phase transformer 21 allows each direct converter Cy to extend the constant power operation over a wider range of variation of the arc voltage.
Ainsi, pour le four avec le dispositif d'alimentation électronique de puissance 2 proposé, le fonctionnement à puissance active P constante permet d'augmenter l'énergie électrique transmise aux ferrailles 13 et le fonctionnement à puissance réactive Q constante permet, lors des phases de court-circuit, de réduire les fluctuations de ladite puissance réactive Q, ce qui diminue le risque de faire apparaître du flicker. Des simulations effectuées pour un cycle de fonctionnement du four à arc 1 avec ce premier mode de réalisation du dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance ont permis d'évaluer un gain apporté sur l'énergie électrique transmise au four 1 ainsi que le niveau de flicker sur le réseau d'alimentation. La simulation est réalisée pour un four à arc de puissance totale Sn0m = 75 MVA alimenté à partir d'un réseau haute tension de 220 kV dont Ia puissance de court-circuit est de 6 GVA.Thus, for the furnace with the proposed electronic power supply device 2, the constant active power operation P makes it possible to increase the electrical energy transmitted to the scrap 13 and the constant reactive power operation Q allows, during the phases of short circuit, to reduce the fluctuations of said reactive power Q, which decreases the risk of flicker appearing. Simulations carried out for an operating cycle of the arc furnace 1 with this first embodiment of the electronic power supply device 2 made it possible to evaluate a gain made on the electrical energy transmitted to the furnace 1 as well as the level of flicker on the power network. The simulation is performed for an arc furnace of total power S n0m = 75 MVA fed from a 220 kV high-voltage grid whose short-circuit power is 6 GVA.
Une comparaison entre la puissance active P, pour une phase, transmise au bain d'acier, lors d'une séquence de fin de fusion, d'un four avec une alimentation conventionnelle (courbe 1 ) et du four avec le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention (courbe 2) est illustrée sur la figure 11. Les variations de puissance active P du four avec le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance sont fortement réduites comparé à celles du four avec une alimentation conventionnelle, ce qui permet ainsi d'augmenter sans pénalité la puissance active transférée au bain.A comparison between the active power P, for a phase, transmitted to the steel bath, during an end-of-fusion sequence, an oven with a conventional feed (curve 1) and the oven with the device 2 of electronic power supply according to the invention (curve 2) is illustrated in FIG. 11. The variations of the active power P of the furnace with the electronic power supply device 2 are greatly reduced compared with those of the furnace with a conventional power supply, which thus makes it possible to increase the transferred active power without penalty. in the bath.
De même, les figures 12a et 12b illustrent une comparaison entre la puissance réactive totale Q calculée au circuit primaire 52 du transformateur de four 5, lors d'une séquence de fin de fusion, d'un four avec une alimentation conventionnelle (figure 12a), et du four avec le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention (figure 12b). Les variations de puissance réactive Q du four avec le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention sont fortement réduites par rapport à un four conventionnel.Similarly, FIGS. 12a and 12b illustrate a comparison between the total reactive power Q calculated at the primary circuit 52 of the furnace transformer 5, during an end-of-fusion sequence, of an oven with a conventional power supply (FIG. 12a). , and the oven with the electronic power supply device 2 according to the invention (FIG. 12b). The reactive power variations of the furnace with the electronic power supply device 2 according to the invention are greatly reduced compared to a conventional furnace.
Bien que les variations de puissance active et réactive soient réduites, il est nécessaire d'introduire un compensateur statique de puissance réactive et de déséquilibre 7 en amont du dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance afin de réduire le phénomène de flicker. Cependant, ledit compensateur statique de puissance réactive et de déséquilibre est avantageusement de dimensionnement beaucoup plus faible que celui d'un compensateur associé à un four avec une alimentation conventionnelle. Pour exemple, la figure 13 illustre une puissance apparente Scomp instantanée au niveau du compensateur statique de puissance réactive et de déséquilibre 7 pour un four avec une alimentation conventionnelle (courbe 1 ) et le four avec le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance (courbe 2). Dans le cas de l'invention, la puissance apparente Scomp fluctue beaucoup moins et ne représente plus que 25% de la puissance totale Snom du four au lieu d'environ 160% à certains moments.Although the active and reactive power variations are reduced, it is necessary to introduce a static compensator of reactive power and unbalance 7 upstream of the electronic power supply device 2 in order to reduce the phenomenon of flicker. However, said static compensation of reactive power and unbalance is advantageously much smaller dimensioning than that of a compensator associated with an oven with a conventional power supply. For example, FIG. 13 illustrates an instantaneous apparent power S c omp at the static reactive power and unbalance compensator 7 for an oven with a conventional power supply (curve 1) and the oven with the power supply device 2 (curve 2). In the case of the invention, the apparent power S c omp fluctuates much less and represents only 25% of the total power S n om of the oven instead of about 160% at certain times.
Une valeur d'un indice de flicker Pst engendrée par le four avec le dispositif d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention associé au compensateur statique de puissance réactive et de déséquilibre 7 est calculée au point de raccordement au réseau haute tension (PCC) et présentée en figure 14.A value of a flicker index Pst generated by the furnace with the electronic power supply device according to the invention associated with the static compensator of reactive power and imbalance 7 is calculated at the point of connection to the high voltage network (PCC) and shown in Figure 14.
Dans ce cas, l'indice de flicker Pstgg ne dépasse pas une valeur normative égale à 1.In this case, the flicker index P st gg does not exceed a normative value equal to 1.
Pour dresser une comparaison entre le four avec une alimentation conventionnelle et le four avec le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance suivant le premier mode de réalisation, les performances de ceux- ci sont résumées, pour un four de puissance totale 75 MVA, dans le tableau ci dessous.In order to compare the furnace with a conventional power supply and the furnace with the electronic power supply device 2 according to the first embodiment, the performances of these are summarized for a furnace with a total power of 75 MVA. the table below.
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Le four avec le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention et Ie compensateur statique 7 permet de supprimer le phénomène de flicker au point de raccordement Pcc tout en augmentant l'énergie électrique transmise aux ferrailles, de sensiblement 8%. De plus, le dimensionnement de l'électronique utilisée dans le four avec le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention et le compensateur statique 7 est largement inférieur à celui d'un compensateur statique associé à un four avec une alimentation conventionnelle.The oven with the electronic power supply device 2 according to the invention and the static compensator 7 makes it possible to eliminate the flicker phenomenon at the point of connection P cc while increasing the electrical energy transmitted to the scrap by substantially 8%. In addition, the dimensioning of the electronics used in the furnace with the electronic power supply device 2 according to the invention and the static compensator 7 is much smaller than that of a static compensator associated with an oven with a conventional power supply. .
Dans un deuxième mode de réalisation du dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance pour un four à arc 1 , comme illustré sur la figure 15, le dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance est inséré en série sur la source de moyenne tension UM, sans raccordement d'un point neutre côté moyenne tension et côté four.In a second embodiment of the electronic power supply device 2 for an arc furnace 1, as illustrated in FIG. 15, the electronic power supply device 2 is inserted in series. on the medium voltage source UM, without connection of a neutral point on the medium voltage side and on the furnace side.
Ce second mode de réalisation du dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance est particulièrement adapté avec un four installé sur un site déjà existant.This second embodiment of the device 2 electronic power supply is particularly suitable with a furnace installed on an existing site.
Dans ce second mode de réalisation, les phases des circuits primaire 52 et secondaire 53 du transformateur de four 5 sont couplées en triangle. Un schéma de principe d'une régulation du dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance est représenté sur la figure 16. La régulation du dispositif 2 d'alimentation électronique de puissance permet de contrôler une valeur efficace d'une composante directe des courants afin d'imposer un fonctionnement à puissance active totale constante.In this second embodiment, the phases of the primary circuits 52 and secondary 53 of the furnace transformer 5 are coupled in a triangle. A schematic diagram of a regulation of the electronic power supply device 2 is shown in FIG. 16. The regulation of the electronic power supply device 2 makes it possible to control an effective value of a direct component of the currents in order to impose a constant total active power operation.
Ladite régulation comporte deux boucles de régulation imbriquées. Une première boucle, dite boucle rapide 3b, permet le contrôle d'une valeur efficace de la composante directe des courants d'arc Ideff- Une seconde boucle, dite boucle lente 4b, régule la puissance active totale P.Said regulation comprises two nested regulation loops. A first loop, called fast loop 3b, allows the control of an effective value of the direct component of the arc currents Ide ff - A second loop, called the slow loop 4b, regulates the total active power P.
Chaque convertisseur direct Cn est commandé par une valeur αu générée par la boucle rapide 3b. De préférence, tous les bobinages secondaires de seconde catégorie 23 et tous les convertisseurs élémentaires alternatif-alternatif But sont similaires et toutes les valeurs a,t sont prises égales à une valeur de commande unique α.Each direct converter C n is controlled by a value α u generated by the fast loop 3b. Preferably, all the secondary windings of second category 23 and all the elementary-reciprocating converters B ut are similar and all the values a, t are taken equal to a single control value α.
La boucle rapide 3b comporte un correcteur 31 b qui élabore une valeur α à partir d'un signal d'erreur δι entre une consigne de courant lref élaborée de la boucle lente 4b et la valeur efficace de la composante directe des courants d'arc Ideff- Le correcteur 31 b comporte un limiteur qui limite la valeur α entre une valeur minimale prédéfinie
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et une valeur maximale prédéfinie -
The fast loop 3b comprises a corrector 31b which generates a value α from an error signal δι between a set current reference ref ref of the slow loop 4b and the rms value of the direct component of the arc currents. Ide ff - The corrector 31b includes a limiter which limits the value α between a predefined minimum value
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and a predefined maximum value -
La boucle lente 4b comporte un correcteur 41 b qui élabore la consigne de courant lrβf à partir d'un signal d'erreur δp entre la consigne de puissance Prβf et la puissance active mesurée P.The slow loop 4b includes a corrector 41b which generates the current setpoint l rβf from an error signal δp between the power setpoint P rβf and the measured active power P.
Le correcteur 41 b comporte un limiteur qui limite la valeur lrθf entre une valeur minimale prédéfinie Imin=0 et une valeur maximale prédéfinie lmax. Ladite consigne est définie en fonction du cycle de fusion du four à arc et permet d'imposer un fonctionnement à puissance active totale P constante.The corrector 41b includes a limiter which limits the value l rθf between a predefined minimum value I m i n = 0 and a predefined maximum value l max . Said setpoint is defined according to the melting cycle of the arc furnace and makes it possible to impose a constant active power operation P constant.
Avantageusement, le fonctionnement à puissance active totale P constante permet d'augmenter l'énergie électrique totale transmise aux ferrailles. Dans un exemple de réalisation, les correcteurs sont des correcteurs du type Proportionnel Intégral Pl.Advantageously, the total active power constant P operation makes it possible to increase the total electrical energy transmitted to the scrap metal. In an exemplary embodiment, the correctors are correctors of the Proportional Integral type Pl.
Dans un exemple de réalisation, la boucle rapide 3b comporte un module 34b de calcul de la valeur efficace de la composante directe des courants d'arc Idem qui reçoit : - une entrée représentative d'un courant de sortie Isb pour la phase b via, par exemple, un transformateur de courant 32b,In an exemplary embodiment, the fast loop 3b comprises a module 34b for calculating the rms value of the direct component of the arc currents Idem which receives: an input representative of an output current Isb for the phase b via for example, a current transformer 32b,
- une entrée représentative d'un courant de sortie lsc pour la phase c via, par exemple, un transformateur de courant 33b.an input representative of an output current ls c for phase c via, for example, a current transformer 33b.
Dans un exemple de réalisation, la boucle lente 4b comporte un module 44b de calcul de la valeur de puissance active totale P et de puissance réactive totale Q, qui reçoit :In an exemplary embodiment, the slow loop 4b includes a module 44b for calculating the total active power value P and the total reactive power Q, which receives:
- une entrée représentative d'un courant de sortie Isb pour la phase b via, par exemple, un transformateur de courant 32b,an input representative of an output current Is b for phase b via, for example, a current transformer 32b,
- une entrée représentative d'un courant de sortie lsc pour la phase c via, par exemple, un transformateur de courant 33b, - une entrée représentative d'une tension de sortie entre les bornes a^ et aci de deux colonnes du transformateur via, par exemple, un transformateur de tension 42b,an input representative of an output current ls c for phase c via, for example, a current transformer 33b, an input representative of an output voltage between the terminals a and c of two columns of the transformer via, for example, a voltage transformer 42b,
- une entrée représentative d'une tension de sortie entre les bornes aai et abi de deux colonnes du transformateur via, par exemple, un transformateur de tension 42b.an input representative of an output voltage between the terminals a to i and abi of two columns of the transformer via, for example, a voltage transformer 42b.
La boucle lente 4b comporte, en sortie du module 44b, un module 45b qui compare la puissance active totale mesurée P et la puissance réactive totale mesurée Q et qui retient le maximum des deux valeurs. Les bornes di, db, d3 du bobinage secondaire de première catégorieThe slow loop 4b comprises, at the output of the module 44b, a module 45b which compares the total measured active power P and the total measured reactive power Q and which retains the maximum of the two values. The terminals di, db, d3 of the first category secondary winding
24 de chaque phase a, b, c sont reliées entre elles et forment un point neutre.24 of each phase a, b, c are connected to each other and form a neutral point.
Lorsque la puissance réactive totale Q dépasse la puissance active totale P, un fonctionnement à puissance réactive totale Q constante permet de limiter la puissance réactive.When the total reactive power Q exceeds the total active power P, a total constant reactive power operation Q limits the reactive power.
Ce fonctionnement permet d'améliorer le facteur de puissance de l'installation et de réduire considérablement la puissance réactive totale Q de l'installation lors d'un court-circuit.This operation makes it possible to improve the power factor of the installation and to considerably reduce the total reactive power Q of the installation during a short circuit.
Des simulations effectuées pour un cycle de fonctionnement d'un four à arc 1 avec le dispositif d'alimentation électronique de puissance suivant ce second mode de réalisation ont permis d'évaluer un gain apporté sur l'énergie électrique transmise au four et un niveau de flicker sur le réseau d'alimentation. La simulation est réalisée pour un four à arc 1 de puissance totale Snom = 75 MVA, alimenté à partir d'un réseau 220 kV dont une puissance de court-circuit est de 6 GVA.Simulations carried out for an operating cycle of an arc furnace 1 with the electronic power supply device according to this second embodiment made it possible to evaluate a gain made on the electrical energy transmitted to the oven and a level of flicker on the power network. The simulation is performed for an arc furnace 1 of total power S n m = 75 MVA, fed from a 220 kV network with a short-circuit power of 6 GVA.
Une comparaison entre la puissance active totale P transmise au bain d'acier, lors de la fin de la séquence de fusion, d'un four avec une alimentation conventionnelle (courbe 1 ) et du four avec le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention (courbe 2) est illustrée sur la figure 17. Les variations de puissance active P du four suivant l'invention sont fortement réduites par rapport à un four avec une alimentation conventionnelle, ce qui permet d'augmenter Ia valeur moyenne de la puissance transférée au bain.A comparison between the total active power P transmitted to the steel bath, at the end of the melting sequence, of an oven with a conventional feed (curve 1) and of the furnace with the second embodiment of the device of electronic power supply according to the invention (curve 2) is illustrated in FIG. The active power P of the furnace according to the invention is greatly reduced compared to an oven with a conventional feed, which makes it possible to increase the average value of the power transferred to the bath.
De même, les figures 18a et 18b illustrent une comparaison entre la puissance réactive totale Q calculée au circuit primaire 52 du transformateur de four 5, lors d'une séquence de fusion, d'un four avec une alimentation conventionnelle (figure 18a) et du four avec le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention (figure 18b). Les variations de puissance réactive Q du four suivant l'invention sont fortement réduites par rapport à un four avec une alimentation conventionnelle.Similarly, FIGS. 18a and 18b illustrate a comparison between the total reactive power Q calculated at the primary circuit 52 of the furnace transformer 5, during a fusion sequence, of a furnace with a conventional power supply (FIG. 18a) and of FIG. oven with the second embodiment of the electronic power supply device according to the invention (Figure 18b). The variations in reactive power Q of the oven according to the invention are greatly reduced compared to an oven with a conventional feed.
Bien que les variations de puissance active et réactive soient réduites, il est nécessaire d'introduire un compensateur statique de puissance réactive et de déséquilibre 7 en amont de l'alimentation électronique afin de réduire le flicker. Cependant, ce compensateur est avantageusement de dimensionnement beaucoup plus faible que celui d'un compensateur associé à un four avec une alimentation conventionnelle, mais sensiblement plus important que celui associé à un four avec le premier mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance. Pour exemple, la figure 19 illustre la puissance apparente SCOmp du compensateur statique de puissance réactive et de déséquilibre et pour une alimentation conventionnelle et le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance proposé par l'invention.Although the active and reactive power variations are reduced, it is necessary to introduce a static compensator of reactive power and imbalance 7 upstream of the electronic supply in order to reduce the flicker. However, this compensator is advantageously dimensioned much smaller than that of a compensator associated with an oven with a conventional power supply, but substantially larger than that associated with an oven with the first embodiment of the electronic power supply device. . For example, FIG. 19 illustrates the apparent power S COmp of the static compensator for reactive power and unbalance and for a conventional power supply and the second embodiment of the electronic power supply device proposed by the invention.
La valeur d'un indice de flicker Pst engendrée par le four avec le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance suivant l'invention associé à son compensateur statique de puissance réactive et de déséquilibre 7 est calculée au point de raccordement Pcc au réseau haute tension et présentée en figure 20. De même que pour le premier mode de réalisation du dispositif d'alimentation, la valeur de l'indice de flicker est telle que le phénomène de flicker perturbe peu le réseau.The value of a flicker index Pst generated by the furnace with the second embodiment of the electronic power supply device according to the invention associated with its static compensator of reactive power and unbalance 7 is calculated at the connection point P cc to the high voltage network and shown in Figure 20. As for the first embodiment of the power supply device, the The value of the flicker index is such that the phenomenon of flicker disturbs the network.
Les performances d'un four avec une alimentation conventionnelle et du four avec le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance sont résumées, pour un four de puissance totale 75 MVA, dans le tableau ci-dessous.The performance of a conventional furnace and furnace with the second embodiment of the electronic power supply device is summarized for a 75 MVA total power furnace in the table below.
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Le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance du four 1 avec le compensateur statique de puissance réactive et de déséquilibre 7 permet de supprimer le flicker au point de raccordement Pcc au réseau haute tension tout en augmentant l'énergie électrique transmise aux ferrailles.The second embodiment of the electronic power supply device of the furnace 1 with the static compensator of reactive power and imbalance 7 makes it possible to eliminate the flicker at the connection point P cc to the high-voltage network while increasing the electrical energy transmitted. scrap.
De plus, Ie dimensionnement de la partie électronique utilisé dans le second mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance du four est largement inférieur à celui d'un compensateur de puissance réactive associé à un four à arc avec une alimentation conventionnelle.In addition, the sizing of the electronic portion used in the second embodiment of the electronic power supply device of the furnace is much smaller than that of a reactive power compensator associated with an arc furnace with a conventional power supply.
Quel que soit le mode de réalisation du dispositif d'alimentation électronique de puissance de puissance 2 pour un four à arc 1 , l'ajout dudit dispositif d'alimentation électronique de puissance permet d'augmenter la puissance active transmise au four à arc, sensiblement de l'ordre de 10% sur un cycle de fonctionnement, et de réduire la puissance réactive absorbée. Ledit dispositif d'alimentation électronique de puissance permet de supprimer un régleur en charge sur le transformateur de four 5, nécessaire sur un four avec une alimentation conventionnelle, et de réduire la puissance de dimensionnement du compensateur statique. L'augmentation de Ia puissance active transmise sur un cycle de fonctionnement permet d'accroître la productivité du four quasiment dans les mêmes proportions.Whatever the embodiment of the power electronic power supply device 2 for an arc furnace 1, the addition of said electronic power supply device makes it possible to increase the active power transmitted to the arc furnace, substantially on the order of 10% over one operating cycle, and to reduce the reactive power absorbed. Said electronic power supply device makes it possible to eliminate a load adjuster on furnace transformer 5, required on a furnace with a conventional power supply, and to reduce the design power of the static compensator. The increase in active power transmitted over one operating cycle makes it possible to increase the productivity of the kiln in almost the same proportions.
Les diminutions des variations de puissance active et réactive permettent une réduction, dans un rapport d'au moins trois, de la puissance de dimensionnement du compensateur statique, ce qui permet une réduction du coût du compensateur statique.Decreases in the active and reactive power variations allow a reduction of the sizing power of the static compensator in a ratio of at least three, thereby reducing the cost of the static compensator.
La suppression du régleur en charge permet enfin de réduire la maintenance au niveau du transformateur de four. The removal of the load regulator finally reduces maintenance at the furnace transformer.

Claims

REVENDICATIONS - Dispositif (2) d'alimentation électronique de puissance pour four à arc (1 ), ledit dispositif étant alimenté en courant alternatif sous une tension UM d'un réseau d'alimentation comportant au moins une phase, ledit dispositif étant placé entre le réseau d'alimentation et un transformateur de four (5) abaisseur de tension à rapport constant entre une tension d'entrée dudit transformateur de four et une tension, dite basse tension UB, d'alimentation du four, et comportant :CLAIMS - Electronic power supply device (2) for an arc furnace (1), said device being supplied with alternating current under a voltage UM from a power supply network comprising at least one phase, said device being placed between the power supply network and an oven transformer (5) voltage step-down with a constant ratio between an input voltage of said oven transformer and a voltage, called low voltage UB, supplying the oven, and comprising:
- au moins un transformateur (21 ) comportant lui-même, pour chaque phase : o au moins un bobinage primaire (22), o au moins un bobinage secondaire d'une première catégorie (24) délivrant une tension V31, i = 1 à un nombre de phases du réseau, o N bobinages secondaires d'une seconde catégorie (23) délivrant des tensions V21J, avec j = 1 à N ≥ 1 ,- at least one transformer (21) itself comprising, for each phase: o at least one primary winding (22), o at least one secondary winding of a first category (24) delivering a voltage V3 1 , i = 1 to a number of phases of the network, o N secondary windings of a second category (23) delivering voltages V 21J , with j = 1 to N ≥ 1,
- un moyen de conversion de tension alternatif-alternatif Dti, associé à chaque bobinage secondaire de seconde catégorie (23), apte à délivrer une tension VSIJ réglable inférieure ou égale à N^ sur des bornes de sortie (c,j,d|j) dudit moyen de conversion, et dans lequel lesdites bornes de sortie (C|j,d|j) du ou des moyens de conversion D,j et le au moins un bobinage secondaire de première catégorie (24) sont raccordés en série de sorte que les tensions Vsy aux bornes desdits moyens de conversion et dudit au moins un bobinage secondaire de première catégorie s'ajoutent pour délivrer une tension Vs= V3l + ∑VSlJ d'alimentation du four au travers du- an alternating-alternating voltage conversion means D ti , associated with each second category secondary winding (23), capable of delivering an adjustable voltage V SI J less than or equal to N^ on output terminals (c, j , d| j ) of said conversion means, and in which said output terminals (C| j , d| j ) of the conversion means D, j and the at least one secondary winding of the first category (24) are connected in series so that the voltages Vs y at the terminals of said conversion means and said at least one secondary winding of the first category are added to deliver a voltage V s = V 3l + ∑V SlJ for supplying the oven through the
7=1 transformateur de four (5). 2- Dispositif (2) d'alimentation électronique de puissance suivant la revendication 1 dans lequel chaque moyen de conversion alternatif- alternatif Dy délivre une tension de sortie Vsy en fonction d'une valeur oijj d'un paramètre de commande. 3- Dispositif (2) d'alimentation électronique de puissance suivant la revendication 2 dans lequel chaque valeur αy est élaborée à partir d'un signal d'erreur entre une valeur de courant représentative d'un courant d'arc mesuré et une consigne en courant lref.7=1 furnace transformer (5). 2- Electronic power supply device (2) according to claim 1 in which each alternating-alternating conversion means Dy delivers an output voltage Vsy as a function of a value oij j of a control parameter. 3- Electronic power supply device (2) according to claim 2 in which each value αy is developed from an error signal between a current value representative of a measured arc current and a setpoint in current l ref .
4- Dispositif (2) d'alimentation électronique de puissance suivant l'une des revendications précédentes comportant une boucle de contrôle d'une valeur efficace de courant représentative d'un courant d'arc mesuré et une boucle de régulation soit d'une puissance active lorsque la consigne de courant lref est inférieure à une valeur maximale prédéfinie Im3x, soit d'une puissance réactive active lorsque la consigne de courant lref atteint la valeur maximale prédéfinie lmax.4- Electronic power supply device (2) according to one of the preceding claims comprising a control loop of an effective current value representative of a measured arc current and a regulation loop of a power active when the current setpoint l ref is less than a predefined maximum value Im 3x , or an active reactive power when the current setpoint l ref reaches the predefined maximum value l max .
5- Dispositif (2) d'alimentation électronique de puissance suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le ou les bobinages secondaires de première catégorie (24) pris dans leur ensemble sont déterminés de sorte à définir une puissance réactive Q prédéfinie maximale lors des phases de court-circuit.5- Electronic power supply device (2) according to one of the preceding claims in which the secondary winding(s) of the first category (24) taken as a whole are determined so as to define a maximum predefined reactive power Q during the short-circuit phases.
6- Dispositif (2) d'alimentation électronique de puissance suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le nombre N de moyens de conversion alternatif alternatif Dy est déterminée de sorte que la somme des tensions de sortie Vsy des bobinages secondaires de première et seconde catégorie (23, 24), V3j + ∑VSiJ , est supérieure à y=i une tension nominale de fonctionnement du four.6- Electronic power supply device (2) according to one of the preceding claims in which the number N of AC conversion means Dy is determined so that the sum of the output voltages Vsy of the first and second secondary windings category (23, 24), V 3j + ∑V SiJ , is greater than y=i a nominal operating voltage of the oven.
7- Dispositif (2) d'alimentation électronique de puissance suivant l'une des revendications précédentes dans lequel les moyens de conversion alternatif-alternatif Dy comportent des convertisseurs élémentaires alternatif-alternatif Byt, avec t = 1 à q ≥ 1 associés en parallèles et dont la tension de sortie Vsi est déterminée par la valeur de ccy reçue par lesdits convertisseurs élémentaires alternatif-alternatif
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8- Dispositif (2) d'alimentation électronique de puissance suivant l'une des revendications précédentes dans lequel tous les bobinages secondaires de seconde catégorie (23) et tous les moyens de conversion alternatif-alternatif Dy sont identiques.
7- Electronic power supply device (2) according to one of the preceding claims in which the alternating-alternating conversion means Dy comprise converters elementary alternating-alternating units By t , with t = 1 to q ≥ 1 associated in parallel and whose output voltage Vsi is determined by the value of ccy received by said elementary alternating-alternating converters
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8- Electronic power supply device (2) according to one of the preceding claims in which all the second category secondary windings (23) and all the alternating-alternating conversion means Dy are identical.
9- Dispositif (2) d'alimentation électronique de puissance suivant la revendication 8 dans lequel la valeur ccy est prise, pour chaque phase i, égale à une valeur OCJ.9- Electronic power supply device (2) according to claim 8 in which the value ccy is taken, for each phase i, equal to a value OCJ.
10-Four électrique à arc de puissance (1 ) alimenté en courant alternatif sous un réseau basse tension UB comportant :10-Power arc electric furnace (1) powered by alternating current under a low voltage network UB comprising:
- une cuve de fusion (1 1 ) apte à recevoir des ferrailles (13) dans une partie intérieure (1 11 ) de ladite cuve,- a melting tank (1 1) capable of receiving scrap metal (13) in an interior part (1 11) of said tank,
- une ou des électrodes (12) aptes à générer des arcs électriques (14) entre lesdites électrodes et les ferrailles (13) placées à l'intérieur de la cuve, la ou les électrodes (12) étant reliées à un circuit secondaire (53) d'un transformateur de four (5), de conversion d'une tension UM d'un réseau d'alimentation en basse tension UB d'alimentation des électrodes, caractérisé en ce que le four est alimenté par un dispositif- one or more electrodes (12) capable of generating electric arcs (14) between said electrodes and the scrap metal (13) placed inside the tank, the electrode(s) (12) being connected to a secondary circuit (53 ) of an oven transformer (5), for converting a voltage UM of a power supply network into low voltage UB for supplying the electrodes, characterized in that the oven is powered by a device
(2) d'alimentation électronique de puissance suivant l'une des revendications 1 à 9, ledit dispositif étant placé entre le réseau d'alimentation et un circuit primaire (52) du transformateur de four (5).(2) electronic power supply according to one of claims 1 to 9, said device being placed between the power supply network and a primary circuit (52) of the oven transformer (5).
1 1- Four triphasé suivant la revendication 10 dans lequel les phases des circuits primaire (52) et secondaire (53) du transformateur de four (5) sont couplées en étoile avec un neutre sorti. -Four triphasé suivant la revendication 10 dans lequel les phases des circuits primaire (52) et secondaire (53) du transformateur de four (5) sont couplées en triangle. 1 1- Three-phase oven according to claim 10 in which the phases of the primary (52) and secondary (53) circuits of the oven transformer (5) are star-coupled with an output neutral. -Three-phase oven according to claim 10 in which the phases of the primary (52) and secondary (53) circuits of the oven transformer (5) are triangle coupled.
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