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CN106134026B - 用于动态地调整电弧炉的装置和方法 - Google Patents

用于动态地调整电弧炉的装置和方法 Download PDF

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CN106134026B CN201580018032.7A CN201580018032A CN106134026B CN 106134026 B CN106134026 B CN 106134026B CN 201580018032 A CN201580018032 A CN 201580018032A CN 106134026 B CN106134026 B CN 106134026B
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J.鲁普
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Abstract

本发明涉及一种用于动态地调节电连接到供电网的具有至少一个电网相的电弧炉(1)的装置和方法，借助所述电网相，对炉电极施加具有幅度和频率的交流电压，并且馈送具有幅度和频率的熔化所需的电弧电流，其中，具有电气变换器(5)的控制回路装置(3)被构造用于将交流电压的幅度和/或频率负反馈到电弧电流的幅度和/或频率，变换器(5)是具有输入端口(7)和输出端口(9)的双端口(11)，其中，电网功率供应连接到所述输入端口，并且熔炉功率供应连接到所述输出端口，第一变压器(13)的初级回路连接到所述输出端口(9)，所述电弧炉(1)的炉电极电连接到其次级回路。本发明的特征在于，第二变压器(15)的初级线圈与变换器(5)的所述输入端口(7)并联电连接，并且第一变压器(13)的次级线圈与第二变压器(15)的次级线圈串联电连接。

Description

用于动态地调整电弧炉的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分的用于动态地调节电弧炉的装置以及对应的方法。
背景技术
电弧、特别是在三相交流供电的情况下经由3个石墨电极以电弧的形式向熔炉馈送电能。这样的熔炉例如是电弧炉EAF(Electric Are Furnace)。为此，通常借助炉变压器将中压或者高压向下变换为低压并且馈送给电极。电弧可以机械地向上或向下移动，以将电弧点燃，随后经由距离调整电弧电压和电流，由此调整耦合的功率。因为每一相中的电流在每个周期两次变为零，因此当在存在的等离子冷却下来太多之前，没有以足够高的电流上升率建立相反方向上的电流时，存在电弧熄灭的风险。
传统上在电流回路中借助足够大的电感来确保电流滞后，使得在电流过零点电压已经足够大，以维持电流流动。这导致电弧炉仅能够以直至特定的功率因数工作，并且具有高无功功率要求。功率因数的典型值处于大约0.83，这在具有100MVA视在功率的变压器的情况下，得到83MW的有功功率输入以及56MVAr的无功功率。由此，可能没有最佳地利用电驱动部件。传统上，对电弧炉的调节处于秒范围内并且确切地说是因为电极的机械移动。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在电弧炉中，减小传统的电流和电压之间的相移，由此提高功率因数并且减小无功功率分量，其中，避免与此相关联的电弧的熄灭。仅需要没有传统的用于调整次级电压的步进开关的炉变压器和相对于现有技术小的补偿设备。要能够以无级并且高动态、确切地说特别是不对称的方式调整电极处的电压。要能够实现在毫秒范围内对电弧快速、由此动态的调节，特别是还用于减少闪烁。要实现改善的功率耦合和电弧的宽的工作范围，特别是电弧的宽范围的稳定。除了避免不希望的电流的中断之外，还要使由于不受控的过电压的出现而产生的内部飞弧的概率最小。要能够减小炉变压器的体积。
上述技术问题利用根据独立权利要求的特征的装置以及根据并列权利要求的特征的对应的方法来解决。
根据第一方面，提出了一种用于动态地调节电连接到供电网的具有至少一个电网相的电弧炉的装置，借助所述电网相，对炉电极施加具有幅度和频率的交流电压，用于产生熔化所需的具有幅度和频率的电弧电流，其中，控制回路装置由交流电压的幅度和/或频率形成为电弧电流的幅度和/或频率，变换器是具有输入端口和输出端口的双端口，其中，电网功率供应连接到所述输入端口，并且熔炉功率供应连接到所述输出端口，第一变压器的初级回路连接到所述输出端口，所述电弧炉的炉电极电连接到其次级回路，其中，第二变压器的初级线圈与变换器的所述输入端口并联电连接，并且第一变压器的次级线圈与第二变压器的次级线圈串联电连接。
根据第二方面，提出了一种用于动态地调节电连接到供电网的具有至少一个电网相的电弧炉的方法，借助所述电网相，对炉电极施加具有幅度和频率的交流电压，并且馈送熔化所需的具有幅度和频率的电弧电流，其中，控制回路装置被构造用于相对于电弧电流的幅度和/或频率，负反馈地调节交流电压的幅度和/或频率，其中，变换器是具有输入端口和输出端口的双端口，其中，电网功率供应连接到所述输入端口，并且熔炉功率供应连接到所述输出端口，第一变压器的初级回路连接到所述输出端口，所述电弧炉的炉电极电连接到其次级回路，其中，第二变压器的初级线圈与变换器的所述输入端口并联电连接，并且第一变压器的次级线圈与第二变压器的次级线圈串联电连接。
根据本发明，经由逆变器向电弧馈送熔化所需的能量，由此其不熄灭。提出了有利地使用变换器，其特别是可以是逆变器。根据本发明的优点是快速的、特别是在毫秒范围内的动态调节，以提高一相的功率因数、同时有效地稳定电弧，并且提高闪烁减少的可能性。
例如，根据本发明的控制回路装置可以使用交流电压的幅度和/或频率作为控制参量，并且使用电弧电流的幅度和/或频率作为调节参量。原则上，可以替换地作为控制参量(n)调节作为电弧电流的幅度和/或频率的调节参量的交流电压的幅度和/或频率。
重要的是，例如能通过借助交流电压的功率馈送来补偿由于电弧电流的功率下降。原则上，也可以相反地进行。
结合从属权利要求描述其它有利构造。
根据一个有利构造，控制回路装置可以借助电气变换器相对于电弧电流的幅度和/或频率负反馈地调节交流电压的幅度和/或频率。
根据另一个有利构造，借助变换器，可以在电弧电流的幅度和/或频率减小时，增大交流电压的幅度和/或频率。特别有利的是，变换器可以在电弧的相位的过零点，增大交流电压的幅度和/或频率，以避免电弧中断。这种方法同样可以用于避免闪烁。
负反馈地调节意为，借助控制回路装置和电气变换器，能在电弧电流的幅度和/或频率减小时，增大交流电压的幅度和/或频率。相反，可以在电弧电流的幅度和/或频率增大时，减小交流电压的幅度和/或频率，以避免过电压。
根据另一个有利构造，变换器可以将供电网的变量、确切地说交流电压或者交流电流相位同步地转换为炉电极的对应变量。
根据另一个有利构造，变换器可以电连接到供电网的任意电压水平。
根据另一个有利构造，变换器可以是具有输入端口和输出端口的双端口，其中，电网功率供应连接到所述输入端口，并且熔炉功率供应连接到所述输出端口。
双端口(Zweitor)描述具有4个连接端的电气网络，其中，每两个连接端构成一个所谓的端口(Tor)。当通过一个端口的两个连接端的电流镜像相等(gegengleich)时(端口条件)，端口存在。由此，双端口是一种特殊形式的四端网络。
根据另一个有利构造，变换器可以是两点变换器或者多电平变换器或多级变换器。
根据另一个有利构造，第一变压器的初级回路可以电连接到所述输出端口，所述电弧炉的炉电极可以电连接到其次级回路。
根据另一个有利构造，第二变压器的初级线圈可以与变换器的所述输入端口并联电连接，并且第一变压器的次级线圈可以与第二变压器的次级线圈串联电连接。
根据另一个有利构造，可以借助对应的度量来调整第一变压器的初级标称电功率与第二变压器的初级标称电功率的比。
根据另一个有利构造，可以将该比调整为1：3。
根据另一个有利构造，第一变压器或者第二变压器可以是已经存在的炉变压器。
根据另一个有利构造，第一变压器可以是升压转换器或者升压变压器。
根据另一个有利构造，可以去除第一变压器，并且变换器的所述输出端口可以与第二变压器的次级线圈串联电连接并且与炉电极电连接。
根据另一个有利构造，所述电弧炉可以具有由3个电网相供应电力的3个炉电极、特别是石墨电极，其中，可以借助3个变换器调节幅度和/或频率。
根据另一个有利构造，可以借助3个变换器对幅度和/或频率进行单独调节。
经由变换器可以非常快速并且灵活地调整功率分布。例如，可以将一个稳定燃烧的电弧的电功率重新分配给否则将熄灭的另一个电弧。可以根据变换器的设计对各个炉电极供应不同的功率。这可以附加地通过电弧炉的热对称来有效地进行。
根据另一个有利构造，用于相应的炉电极的间隔装置可以附加地作为工作点调整炉电极到熔料的距离。借助对电极的必要的处理来调整工作点，其中，利用根据本发明的经由变换器的调节，能够高动态地控制干扰。
根据另一个有利构造，对于每一个炉电极，每一相的功率因数可以调整为>0.84。
根据另一个有利构造，对相应的电弧的调节可以在毫秒范围内进行。
根据另一个有利构造，可以附加地在电流过零点，附加地接通点火脉冲。
附图说明
根据实施例结合附图详细描述本发明。其中：
图1示出了根据本发明的装置的第一实施例；
图2示出了根据本发明的装置的第二实施例；
图3示出了根据本发明的装置的控制回路；
图4示出了根据本发明的方法的一个实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的装置的第一实施例。根据该装置，可以相对于现有技术更动态并且更灵活地调节在电弧炉1中产生的电弧。以相位同步的方式经由与可以是已经预先安装的炉变压器的第一变压器13串联的变换器5，向对应的电弧馈送所需的能量，由此使电弧不熄灭。还要避免闪烁。根据本发明的装置还使得能够避免过电压。包括变换器变压器的所有电网阻抗聚集到所示出的阻抗R和X中。图1示出了电弧1的单相等效电路图，其中，全部功率、即100％经由变换器5馈送。由此，对电弧炉1、包括工作频率和无级的电压调整进行从0至100％的完全控制。当电弧炉1允许比50或60Hz高的工作频率时，其可以由变换器5根据电网频率产生，并且连接在下游的第一变压器13可以更小并且以更低的成本构建。第一变压器13可以是已经对电弧炉1分配的炉变压器。G表示根据本发明的控制回路装置3的反馈环。因为这里反馈是负反馈，因此反馈环用附图标记G表示。
根据图1，将供电网的电网相连接到电连接的电弧炉1。借助该电网相，对布置在电弧炉中、这里未详细示出的炉电极供应具有幅度和频率的交流电压以及熔化所需的具有幅度和频率的电弧电流。根据本发明，实现了控制回路装置3，其使交流电压的幅度和/或频率对电弧电流的幅度和/或频率进行负反馈。对应地，在电弧电流的幅度和/或频率下降时，可以增大交流电压的幅度和/或频率。还可以在交流电压的幅度和/或频率过大时，减小电弧电流的幅度和/或频率。以这种方式，避免电弧熄灭以及过电压。可以灵活地提供根据本发明的控制回路装置3，使得交流电压是控制参量，并且电弧电流是调节参量，或者相反，电弧电流是控制参量，而交流电压是调节参量。在使用根据本发明的变换器5时，特别地提供，利用对交流电压的幅度和/或频率的调整，来调节电弧电流的幅度和/或频率。原则上，借助根据本发明的变换器5，交流电压或者电弧电流可以被印记对应地，变换器5于是可以被视为电压源或者电流源。图1示出了经由变换器对电弧炉的电力供应。这里，示出具有变换器变压器13的变换器5，变换器变压器13可以是升压变压器。按照根据图1的布置的优点是快速的动态调节、特别是在毫秒范围内、闪烁减少、第一变压器13的体积减小，其中，在使用炉变压器时，不再需要炉变压器的初级侧的调压开关。根据图1，可以在整个功率范围内实现快速的动态调节。根据图1的布置的优点是，与在图2中示出的具有炉变压器和逆变器的混合解决方案相比，快速调节的动态范围增大。变换器5可电连接到供电网的任意电压水平。根据图1的变换器5是具有输入端口7和输出端口9的双端口11。在输入端口7处施加电网功率，并且在输出端口9处输出熔炉功率。
图2示出了根据本发明的装置的第二实施例。第一变压器13的初级回路电连接到输出端口9，未示出的电弧炉1的炉电极电连接到其次级回路。与图1不同，第二变压器15的初级线圈并联电连接到变换器5的输入端口7，其中，第一变换器13的次级线圈与第二变压器15的次级线圈串联电连接。第一变压器13和第二变压器15的次级线圈向炉电极提供交流电压并且提供所需的电弧电流。图2还示出了电弧炉的单相等效电路图，其中，将变换器的能量的一部分馈送给连接在下游的升压变压器或者升压转换器13。由此，炉电极处的交流电压能够以无级并且高动态的方式从50调整至100％，并且确切地说同样是不对称的。在图2中也将包括炉变压器15和变换器变压器13的所有电网阻抗聚集到了所示出的阻抗R、X中。根据图1，经由炉变压器15和变换器5进行对电弧炉1的电力供应。图2示出了功率的例如75％经由炉变压器15、25％经由变换器变压器13向电弧炉1馈送。由于来自变换器5的电力，可以在微秒范围内调节电弧的动态性能。变换器5还可以影响闪烁产生。例如，还可以在电弧电流的电流过零点接通短的点火脉冲，以防止电弧熄灭。变换器5根据供电网的固定的中间电压产生可变中间电压。连接在下游的变压器13将电压从中间电压水平向下变换到低压水平。根据
图2示出的装置的优点如下：毫秒范围内的快速的动态调节(然而仅在变换器5的功率范围内)、闪烁减少、炉变压器15的体积减小，其中，在炉变压器15的初级侧不再需要步进开关。根据本发明的快速的动态调节防止电弧中断，因为可以单独向电弧馈送功率。闪烁减少具有在闪烁小的情况下可以省去补偿设备的优点。变换器5可以根据电压水平以不同的拓扑实现，在此其可以构建为两点变换器以及多电平变换器。在图2中在变换器5后面的连接在下游的变压器13也可以根据部件和半导体开关的特性对应地设计或者可以省去。
图3示出了控制回路装置3的根据本发明的控制回路，其中，使用变换器5作为控制器并且作为控制系统RS。变换器5可以作为控制器R例如对炉电极施加交流电压。对应地可以从炉电极或电弧炉1采集流动的电弧电流I。不仅交流电压U、而且电弧电流I可以具有可采集的幅度和频率。在图3中示出的具有电气变换器5的控制回路装置3将炉电极处的交流电压的幅度和/或频率彼此相反地耦合到通过该炉电极的电弧电流的幅度和/或频率。特别有利的是，变换器5可以简单地作为调节参量(n)调整作为用于调节电弧电流的幅度和/或频率的控制参量(n)的炉电极的交流电压的幅度和/或频率。特别有利的是，控制回路装置3的控制回路于是可以借助变换器5在电弧电流的幅度和/或频率减小时，增大交流电压的幅度和/或频率。这可以用于稳定地产生电弧并且避免电弧中断。还可以执行用于避免闪烁。相反的在电弧电流的幅度和/或频率增大时减小交流电压的幅度和/或频率的调整可以有效地避免过电压。原则上，变换器5可以作为调节参量(n)，调整作为用于调节交流电压的幅度和/或频率的控制参量(n)的电弧电流的幅度和/或频率。对应地，根据本发明的变换器5可以视为提供电压的电压源和/或压印电流的电流源。
图4示出了根据本发明的方法的一个实施例。在第一步骤S1中，电弧电流的幅度和/或频率减小。在第二步骤S2中，借助根据本发明的电气变换器5，增大炉电极处的交流电压的幅度和/或频率。利用这种对应的负反馈，能够有效地避免电弧的中断和闪烁。替换地，可以在第一步骤S2中，采集电弧电流的幅度和/或频率的增大，使得在第二步骤S2中，借助电气变换器5减小交流电压的和/或频率。在这两种变形方案中，炉电极处的交流电压是控制参量，并且电弧电流是调节参量。

Claims (34)

1.一种用于动态地调整电连接到供电网的具有至少一个电网相的电弧炉(1)的装置，借助所述电网相，对炉电极施加具有幅度和频率的交流电压，并且馈送为熔化所需的具有幅度和频率的电弧电流，其中，
具有电气变换器(5)的控制回路装置(3)被构造用于将交流电压的幅度和/或频率负反馈到电弧电流的幅度和/或频率，
变换器(5)是具有输入端口(7)和输出端口(9)的双端口(11)，其中，电网功率供应连接到所述输入端口，并且熔炉功率供应连接到所述输出端口，
第一变压器(13)的初级回路电连接到所述输出端口(9)，所述电弧炉(1)的炉电极电连接到其次级回路，
其特征在于，
第二变压器(15)的初级线圈与变换器(5)的所述输入端口(7)并联电连接，并且第一变压器(13)的次级线圈与第二变压器(15)的次级线圈串联电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
第一变压器(13)的初级标称电功率与第二变压器(15)的初级标称电功率的比能够借助度量来调整。
3.根据权利要求2所述的装置，
其特征在于，
第一变压器(13)的初级标称电功率与第二变压器(15)的初级标称电功率的比是1：3。
4.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
第一变压器(13)或者第二变压器(15)是已经存在的炉变压器。
5.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
第一变压器(13)是升压转换器或者升压变压器。
6.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
去除第一变压器(13)，并且变换器(5)的所述输出端口(9)与第二变压器(15)的次级线圈串联电连接并且与炉电极电连接。
7.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
变换器(5)将作为用于调节电弧电流的幅度和/或频率的控制参量(n)的交流电压的幅度和/或频率，作为调节参量(n)来调整。
8.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
变换器(5)将作为用于调节交流电压的幅度和/或频率的控制参量(n)的电弧电流的幅度和/或频率，作为调节参量(n)来调整。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，
其特征在于，
变换器(5)在电弧电流的幅度和/或频率减小时，增大交流电压的幅度和/或频率，反之亦然。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，
其特征在于，
变换器(5)在交流电压的幅度和/或频率增大时，减小电弧电流的幅度和/或频率，反之亦然。
11.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
变换器(5)将供电网的变量相位同步地转换为炉电极的变量。
12.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
变换器(5)能够电连接到供电网的任意电压水平。
13.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述电弧炉具有由3个电网相供应电力的3个炉电极、特别是石墨电极，其中，能够借助3个变换器(3)调节幅度和/或频率。
14.根据权利要求13所述的装置，
其特征在于，
能够借助所述3个变换器(3)单独调节幅度和/或频率。
15.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
用于各个炉电极的间隔装置附加地作为工作点调整各个炉电极到熔料的距离。
16.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
每一相的功率因数大于0.84。
17.一种用于动态地调整电连接到供电网的具有至少一个电网相的电弧炉(1)的方法，借助所述电网相，对炉电极施加具有幅度和频率的交流电压，并且馈送为熔化所需的具有幅度和频率的电弧电流，其中，
具有电气变换器(5)的控制回路装置(3)被构造用于相对于电弧电流的幅度和/或频率，负反馈地调节交流电压的幅度和/或频率，
变换器(5)是具有输入端口(7)和输出端口(9)的双端口(11)，其中，在所述输入端口处馈送电网功率，并且在所述输出端口处输出熔炉功率，
第一变压器(13)的初级回路连接到所述输出端口(9)，所述电弧炉(1)的炉电极电连接到其次级回路，
其特征在于，
第二变压器(15)的初级线圈与变换器(5)的所述输入端口(7)并联电连接，并且第一变压器(13)的次级线圈与第二变压器(15)的次级线圈串联电连接。
18.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
借助度量来调整第一变压器(13)的初级标称电功率与第二变压器(15)的初级标称电功率的比。
19.根据权利要求18所述的方法，
其特征在于，
将第一变压器(13)的初级标称电功率与第二变压器(15)的初级标称电功率的比调整为1：3。
20.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
第一变压器(13)或者第二变压器(15)是已经存在的炉变压器。
21.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
第一变压器(13)是升压转换器或者升压变压器。
22.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
不存在第一变压器(13)，并且变换器(5)的所述输出端口(9)与第二变压器(15)的次级线圈串联电连接并且与炉电极电连接。
23.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
变换器(5)将作为用于调节电弧电流的幅度和/或频率的控制参量(n)的交流电压的幅度和/或频率，作为调节参量(n)来调整。
24.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
变换器(5)将作为用于调节交流电压的幅度和/或频率的控制参量(n)的电弧电流的幅度和/或频率，作为调节参量(n)来调整。
25.根据权利要求17至24中任一项所述的方法，
其特征在于，
变换器(5)在电弧电流的幅度和/或频率减小时，增大交流电压的幅度和/或频率，反之亦然。
26.根据权利要求17至24中任一项所述的方法，
其特征在于，
变换器(5)在交流电压的幅度和/或频率增大时，减小电弧电流的幅度和/或频率，反之亦然。
27.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
变换器(5)将供电网的变量相位同步地转换为炉电极的变量。
28.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
变换器(5)能够电连接到供电网的任意电压水平。
29.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
所述电弧炉具有由3个电网相供应电力的3个炉电极、特别是石墨电极，其中，借助3个变换器(3)调节幅度和/或频率。
30.根据权利要求29所述的方法，
其特征在于，
能够借助所述3个变换器(3)单独调节幅度和/或频率。
31.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
用于各个炉电极的间隔装置附加地作为工作点调整各个炉电极到熔料的距离。
32.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
在每个炉电极中，每一相的功率因数大于0.84。
33.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
对电弧的调节在毫秒范围内进行。
34.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
在电流过零点，附加地接通点火脉冲。
CN201580018032.7A 2014-03-31 2015-02-13 用于动态地调整电弧炉的装置和方法 Active CN106134026B (zh)

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DE102014206008.7 2014-03-31
PCT/EP2015/053063 WO2015149980A1 (de) 2014-03-31 2015-02-13 Vorrichtung und verfahren zur dynamischen einstellung eines elektrolichtbogenofens

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