ITMI940504A1 - Impianto di forno ad arco a corrente continua - Google Patents
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Description
Descrizione del trovato
Campo tecnico
L'invenzione si riferisce ad un impianto di forno ad arco a corrente continua, comprendente un recipiente del forno, uno o più elettrodi dell'arco voltaico inseriti come catodo, un contatto del fondo inserito come anodo, un trasformatore del forno ed una disposizione di raddrizzamento di corrente per l'alimentazione del forno e un dispositivo di regolazione degli elettrodi, come pure un regolatore di corrente, laddove nel percorso delle linee di corrente continua dal raddrizzatore al contatto del fondo è inserita una bobina. In relazione a ciò il punto di partenza per l'invenzione è una regolazione di elettrodi, come essa costituisce per esempio l'oggetto di una domanda di brevetto europeo Nr. 0498 239.
Sfondo tecnologico e stato della tecnica
In impianti dì forni ad arco voltaico a corrente continua nel corso del processo di fusione l'arco voltaico salta repentinamente da un pezzo di rottame all'altro. In tal modo si vengono ad originare variazioni improvvise di lunghezza e resistenza dell'arco. Una regolazione di corrente di elevato pregio ha il compito di ridurre ad un minimo le variazioni di corrente da ciò risultanti, ed in tal modo di proteggere il convertitore statico di corrente del dispositivo di regolazione anche in casi estremi, per esempio cortocircuiti dell'elettrodo, da sovraccarichi e dall'eventuale distruzione di valvole dei tiristori.
Tanto gli scostamenti di corrente, però anche in misura incrementata l'angolo di comando fortemente variabile del convertitore statico di corrente, in seguito all'operazione di regolazione producono colpi di potenza reattiva sulla rete di alimentazione. Queste variazioni di potenza reattiva sono determinanti per gli scostamenti di tensione nella rete di alimentazione. Se questi superano un certo limite, allora vengono disturbate le utenze collegate alla stessa rete. Gli scostamenti di tensione si rendono rilevabili in modo spiacevole mediante variazioni di luce, i cosiddetti sfarfallamenti (flicker).
Delle prescrizioni di legge obbligano i conduttori di siffatti impianti ad eseguire accorgimenti per l'ampia eliminazione degli sfarfallamenti. Se non si prende in considerazione una trasformazione della rete di alimentazione, sinora restava l'unica possibilità di corredare l'impianto di forno con un dispositivo di svc (SVC = Static Var Compensation - compensazione statica degli sfarfallamenti), confronta la rivista aziendale della BBC Brown Boveri AG, Baden (Svizzera) "Lichtbogenanlagen "Arcmelt", Typenreihe AL", Opuscolo Nr. CH-IH 512 484, ove alle pagine 20-22 è descritta ed illustrata una compensazione di potenza reattiva e di sfarfallamenti per impianti di forno ad arco trifasi, oppure il brevetto statunitense US-A 5.155.740, il quale ha come oggetto un dispositivo di compensazione per sfarfallamenti per impianti di forno ad arco a corrente continua. Siffatti dispositivi sono però molto costosi per impianti di forni ad arco a corrente continua ed essi richiedono inoltre convertitori statici di corrente, bobine e conensatori di forte potenza.
Breve esposizione dell'invenzione
Alla base dell'invenzione è posto il compito di creare un impianto di forno ad arco a corrente continua, il quale consente un esercizio esente da sfarfallamenti anche nel caso di reti di alimentazione deboli, quindi di reti con piccole potenze di corto circuito.
Questo compito viene risolto, secondo l'invenzion, per il fatto che al circuito di regolazione della corrente è subordinato un circuito di regolazione della tensione, laddove il valore istantaneo per il regolatore della tensione viene derivato dalla tensione applicata al convertitore stativo di corrente ed il segnale di uscita del regolatore di corrente fornisce il valore nominale per il regolatore della tensione, e per il fatto che a valle del regolatore della tensione è inserito un filtro accordato sulla frequenza degli sfarfallamenti con una caratteristica di frequenza che è accordata alla sensibilità alla frequenza dell'occhio umano.
Mediante l'impiego di una bobina con elevata autoinduttanza in combinazione con una siffatta regolazione di corrente e di tensione è possibile diminuire in modo decisivo gli effetti spiacevoli di un forno ad arco a corrente continua sulla rete di alimentazione. La grande bobina nel ramo della corrente continua funge da accumulatore di energia, il quale in breve tempo può assorbire o cedere energia per, per esempio nel caso di prolungamento dell'arco voltaico, cedere energia, rispettivamente, nel caso di accorciamento dell'arco voltaico, per assorbire energia. Pertanto vengono smorzate le rapide variazioni di corrente nel forno ad arco voltaico, la qual cosa provoca già un'influenza riducente sugli scostamenti di potenza reattiva. Questo accorgimento è decisivo per la conformazione della regolazione. Il regolatore della corrente ha invero ancor sempre il compito di mantenere la corrente impostata dell'arco voltaico, tuttavia l'elevata dinamica non ha più la prima priorità. Una priorità aumentata spetta anzi al regolatore di tensione, subordinato al regolatore di corrente, in relazione alla soppressione di scostamenti di potenza reattiva, rispettivamente sfarfallamenti.
Un esempio di esecuzione dell'invenzione, come pure i vantaggi con essa conseguibili, vengono spiegati più dettagliatamente nel seguito in base al disegno.
Breve descrizione del disegno
Nell'unica figura del disegno è illustrato schematicamente un esempio di esecuzione dell'invenzione in uno schema circuitale a blocchi di un impianto di forno ad arco voltaico a corrente continua, con un circuito di regolazione della corrente e con un circuito di regolazione degli elettrodi.
Modi per l'esecuzione dell'invenzione
L'unica figura del disegno mostra un trasformatore 2 del forno con parecchi stadi circuitali, il quale da un lato è collegato ad una rete 1 a corrente alternata, con una tensione alternata di, per esempio, 22 kV e, dall'altro lato, è collegato all'ingresso di tensione alternata di un convertitore statico di corrente 5. Il lato della tensione continua del convertitore statico di corrente 5 è collegato, attraverso una bobina 6, con un elettrodo 7 dell'arco voltaico (catodo) di un forno 8 ad arco. Un contatto del fondo 12 (anodo) disposto nella zona del fondo del forno 8 ad arco, è collegato con il polo positivo del convertitore statico di corrente 5. In alternativa, la bobina 6 può anche essere disposta nella linea di adduzione di corrente continua al contatto 12 del fondo. Tra l'estremità inferiore dell'elettrodo 7 dell'arco voltaico ed un materiale, rispettivamente rottame, da fondere ed indicato con 9, come pure con la superficie di una fusione, rispettivamente di un bagno di fusione 11, brucia un arco voltaico 10. d definisce una distanza dall'elettrodo, rispettivamente la distanza tra l'elettrodo 7 dell'arco e il bagno di fusione 11.
Per il mantenimento costante della corrente dell'arco voltaico e per l'influenzamento della posizione dell'elettrodo dell'arco è prevista una regolazione del forno, la quale comprende un circuito I di regolazione della corrente ed un circuito E di regolazione dell'elettrodo. I due circuiti di regolazione sono illustrati mediante linee a tratti e punti.
Un trasfomatore di misura 3 nella linea di adduzione di corrente alternata al convertitore statico di corrente 5 rivela un segnale di valore istantaneo di corrente ii.st., il quale viene addotto all'ingresso negante di un comparatore, rispettivamente sommatore 13. All'ingresso non-negante di questo sommatore 13 è addotto, per esempio da un potenziometro non illustrato, un segnale di valore nominale di corrente i ^ preassegnabile. Sul lato di uscita il sommatore 13 è collegato con un regolatore di corrente 14 con caratteristica proporzionale-integrale (regolatore PI), il quale normalmente fornisce un segnale di grandezza di regolazione del convertitore statico di corrente <U>ist ^ rispondente ad un angolo di accensione, direttamente ad un convertitore 15 degli impulsi di accensione, il quale sul lato di uscita comanda il convertitore statico di corrente 5.
Nel circuito E di regolazione degli elettrodi, dalla tensione dell'arco per mezzo di un trasformatore di tensione 16, viene ricavato un segnale di grandezza di regolazione del convertitore statico di corrente ed inoltrato all'ingresso negante di un sommatore 17, il cui ingresso non-negante viene addotto ad un segnale della grandezza di guida del regolatore degli elettrodi U ^ preassegnabile, corrispondente ad un valore nominale dell'angolo di accensione nell'intervallo di 15° - 50°, preferibilmente nell'intervallo di 25° - 35°. Sul lato di uscita il sommatore 17 è collegato con un regolatore di pressione 18, con una caratteristica proporzionale (regolatore P), il quale sul lato di uscita agisce, attraverso un amplificatore valvolare 19, su una valvola 20 di un dispositivo di regolazione 21 dell'elettrodo. Il dispositivo 21 di regolazione dell'elettrodo, per esempio una pompa idraulica, con una meccanica di regolazione e con un regolatore di velocita dell'elettrodo, è accoppiato meccanicamente con l'elettrodo 7 dell'arco voltaico e consente la sua regolazione in altezza; esso opera quindi come un elemento di ritardo di prim'ordine.
La regolazione dell'elettrodo lavora all'incirca x volte più lentamente della regolazione di corrente. La regolazione in altezza del catodo 7 ha luogo in modo tale che il convertitore statico di corrente 5 lavora in media con un comando di ad esempio 35° elettrici, indipendentemente dalla tensione secondaria del trasformatore 2 del forno e dal valore nominale di corrente isoli impostato.
Sin qui gli impianti di forni ad arco voltaico a corrente continua e la loro regolazione di forno sono noti e descritti, per esempio, nella già citata domanda di brevetto europeo EP-0498 239 Al e pertanto in questa sede verranno richiamati solo brevemente.
Nel corso dell'operazione di fusione il materiale da fondere (rottame) si abbassa e la distanza tra l'elettrodo e il materiale di fusione varia in modo consequenziale. Dapprima l'aumentato fabbisogno di corrente, da ciò risultante, viene coperto dalla regolazione di corrente.
Poiché sul convertitore statico di corrente 5 non è disponibile tensione in modo illimitato per mantenere il flusso di corrente e l'arco voltaico non può essere mantenuto lungo a piacere per un esercizio stabile, la regolazione E di elettrodo agente sul dispositivo idraulico di regolazione dell'elettrodo 21 provvede ad una lunghezza in media costante, rispettivamente una tensione costante, dell'arco voltaico.
Per sopprimere ora i fenomeni di sfarfallamento illustrati all'inizio, oppure per lo meno per ridurli ad una misura minimale, secondo l'invenzione, al circuito I di regolazione della corrente è subordinato un circuito F di regolazione della tensione. Il segnale di uscita del regolatore di corrente 14 fornisce il valore nominale per questo regolatore di tensione. La tensione di uscita del convertitore statico di corrente 5 viene utilizzata per essere addotta al regolatore di tensione F come valore istantaneo, ovvero valore istantaneo.
Decisivo per l'effetto di riduzione per gli scostamenti di potenza reattiva, rispettivamente sfarfallamenti, è ora l'esecuzione di questo regolatore di tensione F. Questo comprende un moltiplicatore 18, al cui primo ingresso viene addotto il segnale di uscita del regolatore di corrente 14. L'altro ingresso si trova (dapprima) a livello costante. L'uscita del moltiplicatore 22 è collegata con l'ingresso non-negante di un sommatore 23. All'ingresso negante del sommatore viene addotto il valore istantaneo di tensione U^st· Al sommatore segue un regolatore di tensione 24 con caratteristica PID. Prima che il segnale di uscita del regolatore di tensione 24 venga addotto all'elemento di regolazione del convertitore statico di corrente (convertitore degli impulsi di accensione 15), questo segnale attraversa un filtro 25 con caratteristica di blocco di banda. Questo filtro 25 presenta un comportamento di caratteristica di frequenza che è accordato sulla frequenza degli sfarfallamenti rilevata come disturbante per l'occhio umano. Questa dipendenza è determinata nel rapporto IEC "Flickermeter - Functional and design specifications ", Pubblicazione 868 (1986), Edito da Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale, 3, rue de Varembé, Ginevra, Svizzera. Il filtro 25 rileva questo comportamento di caratteristica di frequenza, nel senso che smorza più fortemente la frequenza con la massima sensibilità — cioè a circa 9 Hz — . Questo filtro 25 coopera sinergeticamente con la bobina 6 nel circuito principale della corrente continua del forno ad arco voltaico. La bobina può, brevissimamente, (all'accorciamento dell'arco voltaico) assorbire energia oppure (al prolungamento dell'arco voltaico) cedere energia. Pertano dapprima vengono smorzati molto rapidamente scostamenti di corrente nel forno ad arco, la qual cosa provoca già un influenzamento riducente sugli scostamenti di potenza reattiva, e quindi sugli sfarfallamenti. Scostamenti di corrente meno rapidi vengono compensati mediante la regolazione di corrente con regolazione di tensione subordinata e dipendente dalla frequenza. In tal modo vengono smorzati in modo affidabile le escursioni di comando sul convertitore statico di corrente 5, ed in tal modo le escursioni di potenza reattiva nella rete di alimentazione 1, nel campo di sfarfallamento più sensibile. Sebbene la dinamica della regolazione di corrente non abbia più una prima priorità, inoltre mediante l'effetto positivo degli accumulatori di energia nel circuito principale della corrente continua, vale a dire mediante lo smorzamento degli scostamenti di corrente, vengono evitati anche sovraccarichi sul convertitore statico di corrente 5.
Gli accorgimenti descritti precedentemente sono in generale efficienti per ridurre gli scostamenti di potenza reattiva, rispettivamente gli sfarfallamenti, nel campo di frequenza sensibile dell'occhio umano. Nel caso di reti estremamente deboli — sempre considerato in relazione alla potenza del forno — questi accorgimenti possono però ancor sempre non essere sufficienti per andare al di sotto del limite di disturbo. In questi casi l'invenzione prevede di inserire sul circuito di regolazione F un segnale addizionale di tensione di comando Uf^ Questo inserimento ha luogo in modo tale che all'altro ingresso del moltiplicatore 22 viene addotto un valore di correzione derivato dalla tensione di rete (a valle del trasformatore 2 del forno) e corrispondente allo sfarfallamento. Questo valore di correzione viene ricavato, per mezzo di un trasformatore di tensione 26, dalla tensione di rete in un apparecchio 27 di misura di sfarfallamenti e viene inoltrato ad un segnalatore di campo di segnale 28 con livello di risposta impostabile. Come apparecchio 27 di misura di sfarfallamento può per esempio esserne impiegato uno come descritto nella relazione IEC-Report menzionata più sopra, a pag. 29, Fig. 1.
I vantaggi conseguibili con questo accorgimento vanno visti in particolare nel fatto che i parametri del regolatore di tensione F (subordinato) sono ottimizzabili mediante il valore di misura degli sfarfallamenti in relazione al mantenimento dei valori limite per sfarfallamenti non disturbanti, rispettivamente non rilevabili.
Nel caso di una diversa valutazione dello sfarfallamento, l'apparecchio di misura di sfarfallamento può anche essere sostituito da un apparecchio 29 di misura della potenza reattiva. A questo apparecchio viene addotto, attraverso un trasformatore di misura 30 posteriormente al trasformatore 2 del forno, un segnale di corrente e, dal trasformatore di tensione 26, un segnale di tensione. Dalle variazioni di potenza reattiva, mediante divisione per la potenza di corto circuito della rete possono essere derivati i relativi scostamenti di tensione in questa rete. In aziende di fornitura di elettricità, le quali richiedono solamente una limitazione degli scostamenti massimali di tensione, quindi nessuna valutazione della sensibilità dell'occhio, questo metodo è molto adatto.
Si intende di per sè che i comportamenti della caratteristica di frequenza di accumulatore di energia, (bobina 6), regolatore di corrente I e del regolatore di tensione F ad esso subordinato devono essere accordati tra loro in modo tale che vengano soddisfatti gli obiettivi: rete esente da sfarfallamenti, corrente continua il più possibile costante per una elevata resa in potenza per il forno ad arco voltaico, e nessun sovraccarico pericoloso del convertitore statico di corrente 5. La costante di tempo coercitivamente variabile del circuito principale della corrente continua T = L/R (L= Autoinduttanza della bobina ad accumulatore 6, R = resistenza variabile dell'arco voltaico) in tal caso diminuita tramite un comportamento temporale adattante del regolatore di corrente I. La regolazione E degli elettrodi, inserita a valle del sistema di regolazione di corrente-tensione con inserimento del valore di misura dello sfarfallamento, non è più partecipe alla riduzione dello sfarfallamento, poiché la dinamica di questa regolazione è di un ordine di grandezza più lenta di quella nel circuito di regolazione di corrente I con il suo circuito di regolazione di tensione F subordinato.
I parametri del circuito di regolazione di corrente I devono, per assicurare un comportamento dinamicamente ottimale del circuito di regolazione in relazione alla regolabilità e stabilità, essere adattati a parametri variabili dell'impianto. Due parametri del regolatore di corrente vengono adattati in funzione dell'impianto.
Legenda
1 Rete di corrente alternata
2 Trasformatore del forno con parecchi stadi
3, 30 Trasformatore di misura
5 Convertitore statico di corrente
6 Bobina
7 Elettrodo dell'arco voltaico, catodo
8 Forno ad arco voltaico
9 Materiale da fondere, rottame
10 Arco voltaico
11 Fusione, bagno di fusione
12 Elettrodo del fondo, anodo
13, 17 Sommatore
14 Regolatore di corrente
15 Convertitore di impulsi di accensione
16, 26 Trasformatore di tensione
18, 24 Regolatore di tensione
19 Amplificatore valvolare
20 Valvola
21 Dispositivo di regolazione dell'elettrodo 22 Moltiplicatore
23 Sommatore
25 Filtro
27 Apparecchio di misura di sfarfallamento 28 Segnalatore del campo dei segnali
29 Apparecchio di misura della potenza reattiva
Claims (5)
- Rivendicazioni 1. Impianto di forno ad arco a corrente continua, comprendente un recipiente (8) del forno, uno o parecchi elettrodi (7) dell'arco voltaico inseriti come catodo, un contatto del fondo (12) inserito come anodo, un trasformatore (2) del forno e una disposizione di convertitore statico di corrente (5) per l'alimentazione del forno, e un dispositivo (E) di regolazione degli elettrodi, come pure un regolatore (I) della corrente, laddove nel tratto delle linee di corrente continua dal convertitore statico di corrente (5) al contatto del fondo e/oppure elettrodo (elettrodi) dell'arco voltaico è inserita una bobina (6), caratterizzato dal fatto che al circuito (I) di regolazione della corrente è subordinato un circuito (F) di regolazione di tensione, laddove il valore istantaneo (IL· t) per il regolatore di tensione (24) viene derivato dalla tensione applicata al convertitore statico di corrente (5) e la tensione di uscita del regolatore di corrente (14) fornisce il valore nominale per il regolatore (24) della tensione, e dal fatto che a valle del regolatore di tensione (24) è inserito un filtro (25) accordato sulla frequenza di sfarfallamento, con una caratteristica di frequenza che è accordata sulla sensibilità alla frequenza dell'occhio umano.
- 2. Impianto di forno ad arco a corrente continua, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il valore istantaneo (<u>ist^ P<er >ϋ regolatore (24) di tensione, viene addotto, come valore istantaneo, anche al regolatore (18) di tensione della regolazione (E) degli elettrodi .
- 3. Impianto di forno ad arco a corrente, continua secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che il regolatore (14) di corrente del circuito (I) di regolazione di corrente e il regolatore (24) di tensione del circuito di regolazione (F) di tensione è disposto un moltiplicatore (22), al quale viene addotto un segnale addizionale (Ufl^ ^) della tensione di comando, il quale è una misura per escursioni di potenza reattiva, rispettivamente sfarfallamenti, nella rete di corrente alternata (1) alimentante.
- 4. Impianto di forno ad arco a corrente continua, secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che per il rilevamento delle escursioni di potenza reattiva, rispettivamente sfarfallamenti, è previsto un apparecchio (27) di misura di sfarfallamento, il quale è collegato, attraverso un trasformatore di tensione (26), al lato secondario del trasformatore (2) del forno oppure alla rete (1) di corrente alternata e agisce, attraverso un segnalatore (28) del campo dei segnali, sul moltiplicatore (22) .
- 5. Impianto di forno ad arco a corrente continua, secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che per il rilevamento dì escursioni di potenza reattiva nella rete (1) a tensione alternata è previsto un apparecchio (29) di misura della potenza reattiva, il quale, attraverso un regolatore (28) del campo dei segnali, agisce sul moltiplicatore (22).
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