用於交流電弧爐的功率控制系統的製作方法

2023-12-01 09:33:21

專利名稱：用於交流電弧爐的功率控制系統的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及電弧爐，尤其涉及用於這種爐中功率控制的裝置和方法。
背景技術：
交流(AC)電弧爐通常用於熔化或熔解固體物質，如金屬或含礦物質。這種爐通常使用高功率電弧在耐火補裡容器中產生熱能，並包括用來控制提供給電弧的電能的電源。高功率電弧是一種表現為非線性時變阻抗的能量轉換機制。因此，由電弧爐吸收的電壓、電流和功率有波動的趨勢，這對熔化/熔解過程和供電網絡都會造成幹擾。這些幹擾會導致效率低、增加的設備損耗，在極端情況下還會使供電網絡或電弧爐受到破壞。
已經進行了各種嘗試來控制電弧爐的電源。例如，在一些電弧爐中，使用固定的串聯電抗器在電弧穩定性方面提供適度的改進。靜態有功補償器(SWC)，包括一個並聯閘流電晶體開關電阻組，已經用於減小甩負荷。為了保持定點的電極電壓、電流或阻抗，控制電弧電極移動的電極調節器已經用於調節電弧電極的相對位置。
有些控制系統主要是針對穩定電弧爐中的電壓。例如，靜態無功補償器(SVC)包括一個並聯諧波濾波器組和一個並聯閘流電晶體控制的電抗器，它們一起工作來降低電壓波動或保持恆定的爐功率因子。SVC通過電容性或電感性無功功率的並聯注入來工作，從而通過保持爐總體無功功率吸收(MVAR)在近零處平衡(即，既不是電感性也不是電容性)來保持恆定的電壓。
其它控制系統主要是針對穩定電弧爐中的電流。例如，在1993年8月24日授予Gensini等人的美國專利No.5,239,554公開了通過使用可控串聯電抗，包括一個串聯的飽和電抗器或一個串聯的閘流電晶體開關電抗器，來調節電弧電流。在1999年11月23日授予Kojori的美國專利No.5,991,327公開了一種利用預測軟體選通與電弧串聯安裝的閘流電晶體組件來抑制引起電壓波動的電流波動的控制器。
由於功率是電壓和電流的乘積(P＝Vrms*Irms*功率因子)，為穩定電流或電壓而工作的電弧爐電源允許電弧爐的功率吸收大範圍地波動。在較大的爐中，有功功率的吸收可以在短時間內改變幾十兆瓦特(MW)。在世界上許多工業區，弧島發電站(與生活用高壓輸電線路網隔離)向相對較大的電弧爐提供動力。爐的功率波動會導致旋轉發電裝置，例如可以是蒸汽輪機、柴油機動力活塞或水動渦輪機，中的頻率/速度波動。對於頻率波動，發電裝置有可以被吸收而不引起機械損傷的上下限。超出這些限值，將發生機械和電損傷。此外，即使沒有立即發生損傷，正在發生的功率和頻率波動也會對發電站造成增加的磨損和損壞。到目前為止，通過在發電站安裝用於釋放水或蒸汽的旁路閥門(在水或蒸汽輪機的情況下)，已經對這些頻率波動進行了補償，這增加了抑制頻率波動的額外旋轉慣性，並大大增加了發電站的規模。這種解決方案是昂貴且低效的。
電爐中穩定的恆定功率為平穩加入原料提供功率的精確平衡，這又能通過有效的傳熱最大化爐的能量效率，從而有助於實現高爐吞吐水平。因此，需要一種用於電弧爐的高效低成本功率控制系統。還需要一種減小電弧爐中功率波動幅度和頻率的功率控制系統。
發明概述根據本發明，用於電弧爐的電源控制系統使用可變電抗器控制和電極高度調節來調節用於電弧爐的功率，從而減小有功功率的波動。總體而言，本發明的電弧爐控制系統通過選擇一個與爐功率定點相等的爐變壓器電壓分接頭來工作，以每周期為基礎依次連續地調節可變電抗器來調節功率波動，以便計算電極阻抗的變化，並通過預測的電極高度調節來減小功率的下降和上升。
根據本發明的一方面，提供了一種用於AC電弧爐的功率控制系統，該電弧爐具有將電力施加到電弧電極的AC電源，其中該功率控制系統包括一個位於電源和電極之間的可變電抗器，一個監控該電極阻抗的可變電抗器控制器，該控制器還響應所監控電極阻抗的變化而引起可變電抗的變化，從而減小提供給電極的有功功率的變化。優選地，該功率控制系統包括一個用於調節電極高度的電極行動裝置，及一個配置成預測電極電弧損失可能起始位置的電極位置控制器。如果預測到了電弧損失，則該電極位置控制器使得電極行動裝置快速降低電極並使得可變電抗器控制器暫時減小可變電抗的大小。
根據本發明的另一方面，提供了一種用於AC電弧爐的功率控制系統，該電弧爐具有將電力施加到電弧電極的AC電源，包括一個用於調節電極高度以便控制其電弧長度的電極行動裝置，及一個控制電極行動裝置工作的電極位置控制器，該位置控制器配置成監控電弧爐的工作特性以便預測多種不正常狀態的起始位置，並響應特定的預測不正常狀態而調節電極高度。
對本領域的普通技術人員而言，通過以下對本發明特定實施方案的描述並聯繫相應附圖，本發明的其它方面和特點都將變得很明顯。
附圖簡述現在僅通過實例並參考相應附圖對本發明實施方案進行描述，其中

圖1是根據本發明一種實施方案帶電源的三電極電弧爐的示意圖；圖2是用於圖1電弧爐電源的功率控制系統的方框圖；圖3是電弧爐一相在基頻下的示意性電路模型；圖4是根據本發明另一種實施方案帶電源的六電極電弧爐的示意圖；及圖5是用於圖4電弧爐電源的功率控制系統的方框圖。
優選實施方案詳述參考圖1，示出了一種具有代表性的三電極AC電弧爐。通過當地供電總線10向爐提供三相電。連接供電總線10是為了從當地發電站接收電力。該爐包括三個電極12，每個電極都同三個功率相中的一相關聯。電極12連接到帶分接頭的爐變壓器14的爐側(二次繞組)。可變電抗器16和固定電抗器18的串聯組合將爐變壓器14電源側(一次繞組)的各相連接到供電總線10的對應線路。在所說明的實施方案中，每個可變電抗器16都包括一個與電感線圈23和閘流電晶體開關22的串聯組合併聯的電感線圈20。每個閘流電晶體開關22都優選地包括一對彼此極性反向排列的閘流電晶體。電極12的電弧端位於爐容器24中，以便熔化或熔解加工原料。優選地，電極12安裝成其高度可以調節。如在本領域中已知的，諧波濾波器組26連接到供電總線10，以便除去作為電弧處理和閘流電晶體開關操作結果發生的諧波失真。術語電抗器和電感線圈在這裡是可以相互替換使用的。在整個附圖中，相同的標號用來指相同的元件。
電弧爐需要有效的電弧能量傳輸來熔化(含鐵原料)或熔解(不含鐵原料)。在爐中，這是通過平衡原料進料模式或進料速率與電弧功率來實現的。平衡得越好，通過減小功率損耗獲得的能量效率就越高，因為大部分能量都用於了熔化或熔解。電弧爐通常需要操作人員或監控計算機輸入與原料進料速率匹配的期望功率定點值。在傳統的利用現有控制方法的電弧爐中，實際的功率消耗關於期望的功率定點有相當大的波動。本發明電源的功能就是穩定電弧爐所使用的有功功率，以便改善電弧功率同原料進料速率的平衡，或者在批處理的情況下確保最大化從電弧到加工原料的熱量傳輸。
參考圖2，關於單電極12，示出了用於電弧爐的電源控制系統。本發明的控制系統優選地控制電弧爐的三個方面，即可變電抗器16的值、變壓器14的分接頭位置和電極12的高度調節。
首先來看控制爐變壓器14的分接頭位置，該電源控制系統優選地包括一個根據輸入的期望功率定點設置分接頭位置的分接頭設置控制器46。特別地，設置了該分接頭位置，就可以根據電弧爐的預定特性將向電極提供合適的電壓，該電壓使實際的功率消耗與功率定點大致相等。在操作中，分接頭設置控制器46優選地執行以下步驟(a)計算所需工作電壓；(b)根據與每個分接頭關聯的預定(即，銘牌)電壓值計算合適的變壓器電壓分接頭；及(c)將變壓器分接頭移動到計算出的分接頭(加載或減載)。分接頭設置控制器46可以包括一個檢查例程來確保不會發生過大的分接頭變化。一般地，為了確定所需工作電壓，分接頭設置控制器還需要輸入期望的電極電流或期望的電極阻抗。在三電極電弧爐的情況下，當除期望的功率定點之外還提供期望的電極電流時，工作電壓可以根據以下等式來確定A＝I2XP2/(VP4)
B＝2I2XPXS/(VP2)-IC＝P2/(9I2)+I2XS2V=-BB2-4AC2A]]>等式(1)其中V＝所需工作電壓(爐變壓器的二次線-線電壓)I＝期望的電極電流(爐變壓器的二次相電流)XP＝從爐變壓器到無限總線的全部一次電抗，包括爐變壓器電抗XS＝系統在爐容器中從爐變壓器到熔池的全部二次電抗P＝期望的功率定點VP＝額定的一次線-線電壓在三電極爐的情況下，如果提供期望的電極阻抗Z而不是電極電流I，則電極電流I可以如下確定I=P3Z2-XS2,]]>然後等式(1)可用於確定所需工作電壓。
在所說明的實施方案中，當其接收到新的期望功率定點或新的期望電極電流或阻抗時，分接頭設置控制器46同時操作變壓器14的所有三相。期望的功率定點一般是由操作人員或監控計算機輸入的值，而且如到達並通過爐的原料流速所需的，在整個生產流水線中是由操作人員或監控計算機改變的。將實際功率消耗與期望的功率定點平衡得越好，通常就越少需要操作人員或監控計算機對功率定點的調節。
現在來看對可變電抗器的控制，如圖2所說明的，該可變電抗器控制系統優選地包括，對於三相中的每一相，用於測量可變電抗器16電源側電壓的第一變壓器30、用於測量可變電抗器爐側電壓的第二變壓器32、用於測量流到變壓器14的主電流的變流器34和電抗器控制器28。電抗器控制器28從第一和第二變壓器30和32、變流器34及期望的功率定點線路36接收信息，並根據對這些信息的計算控制可變電抗器16。在該實施方案中，三個可變電抗器中的每一個都是基本上彼此獨立控制的，其中在此所述電抗器控制器28的功能是對每一相單獨執行的。以下是對由電抗器控制器28對三個可變電抗器16中一個進行控制的描述。與其它兩相關聯的可變電抗器是以相似的方式被控制的。
電抗器控制器28通過調節閘流電晶體22的點弧角來控制可變電抗器16的電抗，由此增加或減小通過電感線圈20的電流。為了在存在電弧阻抗波動的情況下關於期望的功率定點調節電弧爐中的功率波動，根據從第一和第二變壓器30、32及變流器34讀到的實時電流和電壓，電抗器控制器28選通閘流電晶體來改變電抗。優選地，閘流電晶體的選通是周期性地進行調節的，至少每個AC線電壓半周期一次。如圖2所說明的，電抗器控制器28包括一個確定可變電抗器16阻抗下遊(即，爐側)的下遊阻抗計算模塊38。特別地，該阻抗計算模塊38從變流器34接收一個表示通過爐變壓器14電源側主電流的輸入，並從變壓器32接收一個表示可變電抗器爐側電壓波形的輸入。根據這些電流和電壓測量值，阻抗計算模塊38確定可變電抗器爐側的電阻(RL)和電抗(XL)，並將這些值輸出到所需電抗計算模塊40。爐側電阻(RL)和電抗(XL)的變化表示在熔解或熔化過程中電極阻抗的變化。電抗計算模塊40還從變壓器30接收一個表示可變電抗器16電源側電壓(V)的信號和從定點輸入線路36得到的期望的每相功率定點(P0)作為輸入。根據這些輸入，電抗計算模塊40確定為了使實際爐功率沿期望爐功率定點進行的可變電抗器設想的所需電抗(XREQ)值。在所說明的實施方案中，在存在電弧電阻波動情況下保持功率定點(P0)所需的電抗是根據以下等式計算的XREQ=(RLV2P0-RL2)-XL]]>等式(2)等式(2)是基於如圖3所示簡化的電弧爐每相電流表示。在實際當中，根據其計算所需電抗的電路模型依賴於目標電弧爐的獨特配置和特性。
電抗器控制器28還包括接收三個輸入，即由電抗模塊40計算的所需電抗(XREQ)、由下遊阻抗計算模塊38確定的可變電抗器16爐側電抗(XL)和電阻(RL)，的選通角計算模塊42。根據這些輸入，選通角計算模塊42為閘流電晶體22確定獲得所計算的所需電抗的合適點弧角。在一種優選實施方案中，模塊42通過訪問一個存儲的查找表來確定點弧角，該查找表是根據目標電弧爐的獨特特性預先確定的。在所說明的實施方案中，該查找表的值可以通過執行以下步驟預先確定a)以預定增量為爐側電抗(XL)和電阻(RL)確定可能的值；b)對於爐側電抗(XL)和電阻(RL)的每個可能值，根據並聯電感線圈20和系統線電壓的設計值，為每個0到180度之間的閘流電晶體選通角計算穩態負載電流波形；c)對於每個穩態負載電流，計算電流基頻成分，並通過獲得系統線電壓與基波電流之比來計算總基波電抗；d)對於每個計算出的總基波電抗，通過從總基波電抗中減去爐側電抗(XL)來確定可變電抗器的所需電抗值(XREQ)；及e)將結果列成表，從而可以為所需電抗值(XREQ)、爐側電抗(XL)和爐側電阻(RL)的每種可能組合確定所需的選通角。
應當理解，選通角可以在選通角計算模塊42中利用除參考預定查找表之外的方法進行計算，但是假如考慮選通角計算的計算密集性和重複性，查找表還是提供了合理有效的解決方案。此外，可以用其它方法來計算包括在查找表中的值，而且依賴於目標電弧爐的具體配置可以考慮其它變量。
電抗器控制器28還包括一個選通脈衝發生模塊44，它接收由選通角計算模塊42確定的選通角和來自變壓器30的線電壓信號作為輸入。該脈衝發生模塊44包括一個脈衝選通發生器，將閘流電晶體22的選通角調節到等於由選通角計算模塊42確定的選通角。在所說明的實施方案中，脈衝發生模塊配置成每半個AC電壓周期更新一次閘流電晶體的選通角，而且在這方面，為了控制閘流電晶體選通角更新的時間選擇，還包括一個監控通過變壓器30的線電壓的過零檢測器。類似地，在這種實施方案中，所需電抗計算模塊40至少每半個AC線電壓周期確定一次所需電抗值，以確保向脈衝發生模塊44提供的選通角是最新的。儘管為了充分穩定電弧功率一般期望至少每個功率周期調節一次，但是依賴於爐的具體特性，電抗器控制器28可以配置成以大於或小於每半個周期一次的頻率調節點弧角。
如以下更具體描述的，電抗器控制器28優選地配置成接收一個超越(override)信號，當電源控制系統檢測到即將發生電極電弧損失時，將其完全轉到閘流電晶體對22。在所說明的實施方案中，選通角計算模塊42配置成當選通角計算模塊從電弧損失預測模塊56接收到一個超越控制信號時，以預定時間間隔向選通脈衝發生模塊44輸出一個接近於0的選通角指令。來自電弧損失預測模塊56的超越控制信號優先於選通角計算模塊42從所需電抗計算模塊40接收到的任何輸入。
電抗器控制器28的模塊38、40和42可以利用合適的可編程工業PC很方便地實現，但是本領域的技術人員應當理解這些模塊的功能性可以利用許多不同的可能硬體和/或軟體配置來實現。選通脈衝發生模塊44可以利用一種合適的可編程FPGA設備方便地實現，但是還可以使用其它實現方案，如微處理器或基於專用電路的設備。
尤其是在電抗器20完全變短的情況下，與可變電抗器16串聯的固定電抗器18的存在有助於將平均爐功率因子保持在一個如在供電總線測量的特定範圍內。有固定電抗器18存在，電弧電阻的變化就可以通過使可變電抗器16的電抗值改變等於或小於電弧電阻的變化量來補償。在這些情況下，從供電總線吸收的結果無功功率被最小化。電感線圈23用來保護閘流電晶體對22免受損壞性短路電流的影響。
現在來看電極位置的調節，該電源控制系統包括用來調節電極移動系統54以調節電極12相對於爐容器24的高度的電極位置控制器48。如下面將更具體描述的，電極位置控制器48配置成以實時為基礎監控各種爐工作條件，如電極電壓、電極電流、功率消耗和電極移動。將所監控的過程變量及所監控過程變量中的變化同預定表示爐多種不同形式不正常狀態的存儲值和變化模式進行比較。根據爐過程變量變化中的特徵性標記，位置控制器預測多種不同的可能爐不正常狀態的起始位置，並以一種適合於特定不正常狀態的模式調節電極高度。通過特定的不正常狀態調節，該電極位置控制器試圖減小功率波動，而同時還能保持過程能量效率、爐頂結構完整性和電力系統的電平衡。在圖2所示實施方案中，電極移動系統54示為曲柄驅動系統，但是能夠升高和降低電極12的其它系統，如液壓缸驅動系統，也可以使用。
電極位置控制器48優選地包括一個模式確定模塊50，用來連續地監控爐的工作特性並為基於該測量特性的電極高度調節選擇多種不同的可能工作模式中的一種。為了測量爐條件，模式確定模塊50從測量電極電流的變流器60和測量到中性點的電極電壓的變壓器58接收輸入。模式確定模塊50還監控附加的工作特性，包括通過從溫度傳感元件，如熱電偶(未示出)，接收的信號的爐頂溫度、爐噪聲(包括音頻和一些非音頻)和通過從聲換能器(未示出)接收到的信號、通過從電極位置計算模塊52反饋的電極移動、通過線路36的期望功率定點和通過從分接頭設置控制器46的輸入的爐分接頭設置。模式確定模塊50配置成一旦檢測到爐工作特性中不正常狀態的起始位置，就自動從電壓(VOLTAGE)模式、阻抗(IMPEDANCE)模式和電流(CURRENT)工作模式中進行選擇。
當檢測到開弧情況(例如，當一個或多個電極末端無屏蔽位於加工原料之上時)時，為了保護爐頂免受過多的電弧輻射，模式確定模塊50選擇VOLTAGE模式。為了確定開弧情況是已經發生還是有可能發生，模式確定模塊50監控多個變量，包括但不限於(a)電極功率因子的變化；(b)電極功率標準偏差的增加；(c)電極電弧損失的更高發生率；(d)較高的可聽爐噪聲；(e)電弧電流和電壓諧波分布的變化；(f)緊貼圍繞在電極開口周圍的爐頂熱通量的增加；及(g)最近的電極移動，如電極的升高和降低擺動。模式確定模塊50將這些變量前進的監控值與預定表示目標電弧爐中一種開弧狀態起始位置的存儲閾值和方式進行比較。
一旦選擇了VOLTAGE模式，模式確定模塊50就確定提供給控制電極12移動，一般是以下降方向消除開弧狀態，的電極位置計算模塊52的電壓模式控制誤差(控制誤差)等式。在一種優選實施方案中，電壓模式控制誤差等式如下控制誤差＝kI*I-kV*V等式(3)其中V是通過變壓器58測量到的電極到中性點的電壓；kI和kV是預先計算好並存儲在查找表中的電流和電壓比例常數。它們在查找表中是根據變壓器分接頭的位置進行索引的；及I是接近於目標電弧爐額定工作電極電流的預定常量。
在VOLTAGE模式中，利用為各個電極測量的電壓，控制誤差等式適用於所有三個電極12。為了確定控制誤差，通過使用預定電流常量I，而不是測量電極電流值，電極位置控制器可以集中在通過電極高度調節快速穩定電弧電壓。
模式確定模塊50選擇的預設模式是IMPEDANCE模式。當爐保持有蓋或屏蔽的電弧時(即，在正常工作中，其中蓋子由位於爐中的被加工產品，例如鋼鐵碎片、泡沫礦渣或含礦原料，提供)使用IMPEDANCE模式。在IMPEDANCE模式中，本實施方案三電極系統中每個電極12的機械移動都是同其它電極的移動分離的。當其測量阻抗值從定點阻抗值改變預定量時每個單獨的電極12移動，直到測量值和定點值之間的匹配恢復到預定偏差中。這樣，對於每個電極，模式確定模塊50都(通過測量電極電壓和電流值)確定前行的電極阻抗，而且如果測量阻抗與定點阻抗不相等(即，如果對於那個電極存在不正常狀態)，則模式確定模塊50計算一個提供給控制電極移動的電極位置計算模塊的阻抗模式控制誤差等式。優選地，該阻抗定點值是增益常量之比kI/kV，而該阻抗模式控制誤差等式如下控制誤差＝kI*I-kV*V等式(4)其中V是通過變壓器58測量到的電極到中性點的電壓；kI和kV是上面提到的增益常量；及I是通過變壓器60測量到的電極電流。
在IMPEDANCE模式中，對其過程阻抗從定點阻抗值發生改變的電極的單獨調節減小了電弧上的加料蓋的幹擾。應當理解，除了由二次側變壓器58、60進行測量，通過根據適當的爐變壓器匝數比調節一次側測量值，V和I的值可以分別從一次側變壓器32和34的測量值導出。
當爐工作條件表示高度電不平衡時(這種情況如果不做處理可能會導致保護性繼電器切斷爐電源)，模式確定模塊50還可以選擇CURRENT模式。在CURRENT模式中，電極位置控制器48使電極移動來恢復平衡的電極電流，這會最小化不平衡爐跳閘的可能性。模式確定模塊50通過測量爐變壓器14一次或二次相電流中的負序電流分量來監控電流平衡性。在所說明的實例中，二次相電流是通過變流器60測量的，而模式確定模塊50執行對稱分量分解。一種具有代表性的分解等式說明如下I2＝I/3(Ia+a2Ib+aIc)其中
a＝-0.5+j0.866；I2＝負序電流；Ia＝a相電流向量；Ib＝b相電流向量；及Ic＝c相電流向量。
當負序電流的值在預定時間內保持高於一個閾值時，選擇CURRENT模式。當電流平衡條件故障被校正後，恢復IMPEDANCE模式。一旦選擇了CURRENT模式，模式確定模塊50就確定一個提供給控制電極12移動以減小電流不平衡的電極位置計算模塊52的電流模式控制誤差等式。在一種優選實施方案中，該電流模式控制誤差等式如下控制誤差＝kI*I-kV*V等式(5)其中I是通過變壓器60測量到的電極電流；kI和kV是上面提到的電流和電壓比例常數；及V是接近於目標電弧爐額定工作電極電壓的預定常量。
在CURRENT模式中，利用為各個電極測量的電流，控制誤差等式適用於所有三個電極12。為了確定控制誤差，通過使用預定電壓常量V，而不是測量電壓值，電極位置控制器集中在通過電極高度調節快速平衡電極電流。應當理解，電流模式控制誤差等式(5)和電壓模式控制誤差等式(3)與阻抗模式控制誤差等式(4)是相同的，只是在電流模式等式情況下用一個常量代替測量電壓V，而在電壓模式等式情況下用一個常量代替測量電流I。
在三電極電弧爐中，相間電極電壓和電流的耦合是固有的。因此，在本實施方案的三電極爐中，當在一個電極發生電弧幹擾時，所有三個電極的電壓和電流都會受到影響。因此，在CURRENT和VOLTAGE模式中，所有三個電極都會移動以便抵消不正常狀態。但是，在IMPEDANCE模式中，只有阻抗需要調節的電極才會移動，這最小化了電弧蓋的幹擾。
電極位置控制器48包括一個配置成根據從模式確定模塊50接收到的指令控制電極移動系統54升高或降低電極12的電極位置計算模塊52。計算模塊52還為了其自己的使用而監控電極位置，並向模式確定模塊50提供關於電極位置和移動的反饋。如上所述，在CURRENT和VOLTAGE模式中，三個電極都移動以便分別將電流和電壓恢復到定點值。在IMPEDANCE模式中，單獨移動要將其阻抗恢復到正確水平的電極。計算模塊52分別從變流器60和變壓器58接收電極電流信息和電極電壓信息。
在爐工作過程中，位置計算模塊52從模式確定模塊50接收合適的控制誤差等式選擇並利用其如下控制電極移動。控制誤差增加到指數n，其中α＜n＜β(其中α通常＝1，而β通常＝2)，並由一個積分器連續進行積分。當達到積分限值時，電極起始速度被設定為一個與整個積分周期上平均誤差成比例的值。然後使電極速度與瞬時誤差成比例，直到誤差落在一個預定的死區內。然後積分器重啟，當電極停止移動時開始積分。在控制誤差高於預置閾值的情況下，繞過積分步驟，電極以高速或最大速度移動，直到(a)誤差落在預定死區內，或(b)誤差低於預置閾值且速度被調至與瞬時誤差成比例。通常，本發明實施方案中的電極移動速度將落在300mm/分鐘到20,000mm/分鐘之間。應當理解，除了目前提到的方法，電極位置計算模塊52還可以使用多種不同的已知移動控制算法來控制電極移動。
電極位置計算模塊52的一個新特徵是它包括電弧長度超越控制功能，由此它能夠在移動每個電極之前為其確定電極電弧長度，並在移動電極的同時連續地監控電極行程。如果電極行程超出了其計算電弧長度，則發出一個超越控制命令將電極速度降低到慢行速度來最小化電極損壞或爐渣池中不期望的冶金反應(這可能是由於電極中碳和爐中熔池之間的反應造成的)。在該實施方案中，每個電極的電弧長度是如下計算的電弧長度＝(V-I*Rslaq-Vo)/Eo其中V是電極到中性點的電壓；I是電極電流；Rslaq是當電極末端剛剛接觸到熱渣池表面時的電極電阻；Vo是表示電壓下降的常量；及Eo是表示電弧電場的常量，單位是伏/釐米。
在實際當中，電弧長度的計算可以依賴於除上述變量以外的其它爐工作變量。在該實施方案中，根據每半個周期測量到的爐工作特性，每半個功率周期對控制誤差進行一次積分。但是，本發明電極高度調節器可以使用較低頻率的積分和採樣時間間隔。
電極位置控制器48還包括由電弧損失預測算法模塊56實現的超越控制功能，它預測另一種類型的不正常狀態。通過監控電弧電流快速衰減特性的起始位置，該模塊預測任一電極12中的電弧損失並作出響應，(a)通知電極位置計算模塊52快速降低預測到電弧損失的電極12，及(b)如上所述，向電抗器控制器28發送一個導致完全轉向與預測到電弧損失的電極12關聯的閘流電晶體開關22(即，提供接近於0的選通角)的超越控制信號，從而完全避開向受影響電極提供瞬間電壓上升的各電感線圈20。由閘流電晶體開關完全開啟引起的電極末端電壓上升和由電極降低引起的電弧長度減小將增強該電極下面的電場。因此，電弧柱中的電離度將被恢復，而且防止了電弧損失(或在真正發生電弧損失的情況下恢復電弧柱)。一旦電弧柱被恢復，利用電弧損失預測模塊50的電抗器控制器28的超越控制將終止，從而允許電抗器控制器28檢測減小的結果電弧阻抗，並因此通過增大閘流電晶體選通角來增加可變電抗器16的電抗。固此，不允許電極功率超過功率定點值。傳統上快速電極降低的後果是快速的正序電流和/或功率波動，這可能會導致熔解爐上的斷路器跳閘。在鋼鐵爐中，快速降低會引起電極末端損壞和/或斷路器跳閘。因此，傳統上避免了快速電極降低。但是，在本發明中，與電極降低一起進行的對可變電抗器16的控制減小了正序功率波動，從而降低了由於斷路器跳閘引起的功率中斷的可能性。此外，電弧長度超越控制功能(即使在電弧損失超越控制期間該功能也連續運轉)減小了由於電極末端損壞引起的爐延遲的可能性。
電弧損失預測算法模塊56的工作由以下偽碼說明(i)DO WHILE爐在工作(ii)對每個電極電流連續採樣；(iii)IF減小電流的變化率大於預定限值，AND IF電極電流小於kx(定點值)(iv)THEN全速初始化主控降低並選通閘流電晶體；(v)IF電極電流恢復到定點值OR IF電極電壓為0
(vi)THEN將電極調節交還給模式確定模塊50，將閘流電晶體調節交還給電抗器控制器28；(vii)END DO；如偽碼步驟(i)和(ii)中所示，當電弧爐工作時，電弧損失預測算法模塊56通過與每個電極關聯的變流器60監控每個電極的電流。如步驟(iii)中所示，如果電流下降，檢查其變化速率是否超過了預定的閾值。該預定的閾值是根據目標爐的特性選擇的，特別是選定為一個已知表示即將發生的電弧損失的值。在步驟(iii)中，還檢查電極電流看其是否小於電流定點的預定百分比。(該電流定點是根據功率定點和變壓器電壓分接頭設置確定的。)如果存在步驟(iii)中的兩個檢驗條件，則模塊56作出結論作為每一步(iv)爐工作條件預示即將發生的電弧損失，並採取通過通知電極位置計算模塊52降低電極來避免電弧損失的步驟，並將電抗器控制器28完全轉向閘流電晶體22。如步驟(v)所示，保持這些電弧損失避免方法，直到(a)目標電極電流恢復到定點值(該值表示可以防止電弧損失，或者在發生電弧損失的情況下被恢復的電弧)，或(b)電極電壓變成0(該值表示電極末端接觸到爐容器中的熔池)。在步驟(v)之後，電弧損失預測算法模塊56將對電極調節的控制交還給模式確定模塊50，將對可變電抗器16的控制交還給電抗器控制器28，作為每一步(vi)，這通常會導致電極上升一些和可變電抗器16增加一些，從而減輕任何可能發生在電弧再次點燃時的正序功率波動。
電極位置控制器48可以利用合適的可編程工業PC方便地實現，但是，本領域技術人員應當理解其模塊的功能性可以利用許多不同的可能硬體和/或軟體配置來實現。分接頭設置控制器46還可以利用工業PC或合適的替代品來實現，還可以利用與用於電極位置控制器48相同的PC來實現。
本發明的可變電抗器控制和電極調節有助於提供使用它們的具有平面線性功率分布的電弧爐，而基本上沒有正序或負序功率波動。快速電閘流電晶體控制增強了電極調節器較慢的功率穩定機械作用。電閘流電晶體控制對電弧波動提供了快速響應，其中電極調節對機械幹擾(例如，加工原料的塌陷、電弧損失等)提供前進響應。總體而言，本發明的電弧爐控制系統主要有以下功能-選擇與爐功率定點匹配的所需爐變壓器電壓分接頭。
-以半個周期或一個周期為基礎連續調節可變電抗器來調節功率波動，以便抵消電極阻抗的變化；及-通過預測性電極調節來減小導致快速電極下降的功率下降，這將防止電極電弧散出去，並利用閘流電晶體控制和同步電極上升在電弧再次點燃時控制正序功率波動。
在所說明的實施方案中，描述了一種三電極爐，其中可變電抗器16位於爐變壓器三角形外殼的外面。應當理解，本發明的控制系統還適用於其它電弧爐配置。例如，通過適當的修改，該控制系統可以用於多個電極同每一相關聯的爐，如一對電極12同每一相關聯的六電極爐，中得到類似的好處。在這方面，圖4示出了根據本發明另一種實施方案的六電極爐。用於六電極爐的控制系統同上面圖2中所示和描述的三電極爐的控制系統相似，只是為解決六電極爐和三電極爐的不同而進行了如下所指出的一些修改。用於六電極爐的控制系統的方框圖在圖5中示出，其中電極對112同單個相關聯。
參考圖4和5，六電極爐表現為電力系統上的三個單相負載(每個都有兩個電極12)。每個電極對112從爐變壓器114的各單相接收功率。可變電抗器18位於每個變壓器114一次繞組和供電總線10的裡面。在六電極爐的一種優選實施方案中，每對電極都可以有獨立的功率定點。因此有三個通常相等但可以根據工作需要設置為不同的功率定點。每個爐變壓器114的分接頭是由分接頭設置控制器46根據其各個功率定點選擇的。如上面所指出的，關於變壓器14，相同的普遍原理適用於為每個爐變壓器114設置分接頭。
由於上面所指出的等式(2)也可適用於同單相關聯的電極對112，因此關於六電極爐中的可變電抗器控制，每相的控制都基本上是與上面所指出的關於三電極爐相同的。
關於六電極爐中的電極高度調節，由於每一對都是從獨立的爐變壓器114供電的，因此每個電極對112都同另一電極對隔離。但是，對於任一電極對112，當它們由相同的變壓器114供電時，電極對是彼此電耦合的，因此一個電極的移動會對另一個電極的電流和電壓產生影響。電極行動裝置54在機械上能夠獨立地移動單個電極對112中的兩個電極12。
如在三電極爐中，根據由模式確定模塊50選定的模式，關於每個電極12，控制誤差計算是由電極位置計算模塊52執行的。因此，執行了六次控制誤差計算，每個電極一次。在IMPEDANCE模式中，選擇增益kI和kV是考慮到電極對電壓的總和接近一個常量。在VOLTAGE模式中，選擇增益kI和kV是考慮到電極對電壓的總和接近一個常量。
六電極爐的CURRENT模式是修改自三電極爐，如下所示。首先，對電極對電流的不平衡進行監控和校正。
在電極對112中，CURRENT模式是一種迅速調節電極對電流的快速反應模式。它朝相同的方向同時移動一對電極中的兩個電極。與三電極爐相似，CURRENT模式有可能會造成電極對中阻抗和電極電壓的不平衡。如果電弧沒有熄滅，但是如果電極對電流已經顯著偏離了其平均值，則暫時選擇CURRENT模式迅速將電流恢復到定點。物理上，一對電極中的兩個電極朝相同的方向移動一小段時間。
CURRENT模式還可以用來校正發生在不同相的不平衡。
為了最小化負序電流，電流模式必須能夠平衡三個單相變壓器中每一個的一次電流。因此，在六電極系統中，連接電極位置控制器48是為了從三相中每一相的變流器34接收一次電流信息。如果模式確定模塊50確定三個變壓器114中每個的二次電壓分接頭不相同，則一個電流平衡命令將導致對具有三個電壓分接頭中較低電壓或較高電壓的特定變壓器114的功率定點超越控制。如果電極對的功率定點或二次電壓分接頭有引起不等的一次電流的大偏差，則禁用CURRENT模式-這意味著操作人員已經決定允許高度不平衡。
儘管可變電抗器16示為單對閘流電晶體開關，但是應當理解其它配置可以用於可變電抗器16，如多級閘流電晶體開關。可選地，其它類型的功率半導體開關可以代替閘流電晶體。
權利要求
1.一種用於交流(AC)電弧爐的功率控制系統，其中該AC電弧爐具有將功率施加到電弧電極的AC電源，該控制系統包括位於電源和電極之間的可變電抗器；及可變電抗器控制器，用於監控電極阻抗，並響應所監控電極阻抗的變化而引起可變電抗的改變，從而減小提供給電極的有功功率的變化。
2.如權利要求1所述的功率控制系統，其中可變電抗器控制器配置成響應所監控的電極阻抗，周期性地為可變電抗器確定一個將導致預定電極功率吸收的電抗值，並使得可變電抗器被調至所確定的電抗值。
3.如權利要求2所述的功率控制系統，其中預定功率吸收是基於對爐處理已知數量加工原料所需的功率量的確定。
4.如權利要求2所述的功率控制系統，其中可變電抗器控制器配置成至少每個AC功率周期確定一次電抗值並在要求的情況下調節可變電抗器等於所確定的電抗值。
5.如權利要求2所述的功率控制系統，其中可變電抗器控制器配置成至少每半個AC功率周期確定一次電抗值並在要求的情況下調節可變電抗器等於所確定的電抗值。
6.如權利要求1所述的功率控制系統，其中可變電抗器包括一個閘流電晶體控制的電抗器。
7.如權利要求6所述的功率控制系統，包括一個位於電源和電極之間的固定電抗器。
8.如權利要求1所述的功率控制系統，包括升高和降低電極以控制由此產生的電弧長度的電極行動裝置；及控制電極行動裝置工作的自動電極位置控制器，該電極位置控制器配置成監控爐的工作特性，並根據所監控的工作特性從多種不同的工作模式中選擇一種來控制電極的移動。
9.如權利要求8所述的功率控制系統，其中電極位置控制器比較所監控的工作特性和表示電極在加工原料之上太遠位置的不正常狀態的預定值，而且如果比較結果表示一種不正常狀態的起始，則調節電極高度來消除該不正常狀態。
10.如權利要求8所述的功率控制系統，其中電極位置控制器配置成周期性地計算由電極產生的電弧長度，並且如果該電極位置控制器判斷電極移動可能超出所計算的電弧長度，則使得電極行動裝置降低電極移動速度。
11.如權利要求1所述的功率控制系統，包括調節電極高度的電極行動裝置；電極位置控制器，配置成預測電極電弧損失的可能起始，而且如果預測到電弧損失，則使得電極行動裝置迅速降低電極及使得可變電抗器控制器暫時減小可變電抗的大小。
12.一種控制電弧爐的方法，其中該電弧爐具有將三相功率施加到三個電弧電極的三相AC電源和連接在電源各相和三個電極之間的可變電抗器，該方法包括步驟a)對三相中的每一相監控各自的電極阻抗；及b)調節可變電抗器的電感來補償各電極阻抗的變化，從而減小從電源吸收的功率波動。
13.如權利要求12所述的方法，其中對每個功率相，步驟(b)包括考慮各電極阻抗的變化來確定保持預定功率消耗水平所需的電感，並相應調節各可變電抗器。
14.如權利要求12所述的方法，其中對每個功率相至少每個AC功率相周期執行一次步驟(a)和(b)。
15.如權利要求12所述的方法，包括步驟c)監控各電極電流以確定所監控的電流是否顯示了預示各電極中電弧損失的特性，如果是，則降低對應電極並減小對應可變電抗器的電感。
16.如權利要求12所述的方法，其中電弧爐將三相功率分別施加到三對電極，一個可變電抗器連接在電源各相和該三對電極之間，各電極阻抗為各電極對的阻抗。
17.一種AC電弧爐，包括a)三相電源；b)連接到三相電源各相的三個可變電抗器；c)具有一次繞組、二次繞組及用於調節變比的分接頭的爐變壓器，一次繞組連接到三個可變電抗器；d)連接到二次繞組的三個電弧電極；e)接收加工原料的爐容器，電極具有位於該容器中但與之分開的電弧端，由此從電源到電極施加功率會從各電極產生用於處理該加工原料的各個電弧；f)用於調節電極相對於爐容器高度的電極行動裝置；及g)功率控制系統，用於i)設置變壓器分接頭，從而使爐的預期功率消耗等於預定的功率消耗；及ii)監控表示爐有功功率消耗的爐工作特性，並調節可變電抗器和電極高度來最小化有功功率消耗相對於預定功率消耗的變化。
18.如權利要求17所述的電弧爐，其中至少每個AC功率相周期調節一次可變電抗器。
19.如權利要求17所述的電弧爐，其中爐變壓器包括三個單相變壓器，每個都具有連接到三個可變電抗器中一個的一次繞組，還包括一對連接到每個單相變壓器二次繞組的電弧電極。
20.一種用於AC電弧爐的功率控制系統，其中該AC電弧爐具有將功率施加到電弧電極的AC電源，該控制系統包括調節電極高度來控制其電弧長度的電弧電極行動裝置；及控制電極行動裝置工作的電極位置控制器，該位置控制器配置成監控電弧爐的工作特性來預測多種不正常狀態的起始，並響應預測到特定的不正常狀態而調節電極高度。
21.如權利要求20所述的功率控制系統，其中電極位置控制器配置成監控電極移動和電弧長度，並在電極位置控制器判斷電極可能或已經移動超過其電弧長度時，使行動裝置降低電極移動的速度。
22.如權利要求20所述的功率控制系統，其中電極位置控制器配置成監控電極的阻抗、檢測所監控阻抗從閾值改變預定量時的不正常狀態，並調節電極高度，從而將所監控阻抗調節到預定的閾值範圍內。
23.如權利要求22所述的功率控制系統，其中爐具有將功率分別施加到三個電極的三相電源，該電極由電弧電極行動裝置單獨移動，該電極位置控制器配置成為每個功率相監控各電極的阻抗，並且為每個功率相單獨移動各電極，從而允許將電極阻抗調至預定水平。
24.如權利要求22所述的功率控制系統，其中電極位置控制器配置成檢測當所監控工作特性表示電極在爐中加工原料上面太高位置時的另一種不正常狀態，並將電極高度下調到一個可接受的水平。
25.如權利要求22所述的功率控制系統，其中爐具有將功率分別施加到三個可以由電弧電極行動裝置移動的電極的三相電源，該電極位置控制器配置成為每個電極監控電流，檢測所監控電極電流之間的差值超過預定閾值時的另一種不正常狀態，並調節電極的高度，使所監控電極電流之間的差值落在一個預定範圍內。
26.一種控制電弧爐的方法，其中該電弧爐具有將功率施加到電弧電極的AC電源、連接在電源和電極之間的可變電抗器和調節電極相對於爐容器高度的電極移動系統，該方法包括步驟a)監控送入電極的電流；b)確定所監控電流是否預示著存在電極電離損失，如果是，則降低電極並減小可變電抗。
27.如權利要求26所述的方法，包括步驟c)緊接步驟(b)，當已經恢復電極電離時增加可變電抗值，以便減小有功功率波動。
28.如權利要求26所述的方法，其中步驟(b)包括如果所監控電流的大小以超過預定速度閾值的速度減小且所監控電流的大小小於預定值，則預示著電離損失的起始。
全文摘要
一種用於AC電弧爐的功率控制系統。該控制系統包括位於爐電源和高度可調的電弧電極之間的可變電抗器。該控制系統監控表示爐有功功率消耗的爐工作特性並調節可變電抗器和電極高度，以求最小化有功功率消耗的變化。電極電弧損失可以預測並通過降低電極和減小可變電抗器的電抗來抵消。
文檔編號H05B7/00GK1502217SQ02804698
公開日2004年6月2日 申請日期2002年2月7日 優先權日2001年2月8日
發明者T·馬, M·塞迪希, B·佩爾金斯, T·格裡特森, J·拉達, T 馬, 舷, 鍰厴, 鷀 申請人:哈茨有限公司, 薩特康電力系統加拿大有限公司