WO2012052303A1

WO2012052303A1 - Vorrichtung und verfahren zur ausfilterung von versorgungsnetzstörungen aus einem elektrodensignal in einem metallurgischen elektroumschmelzverfahren

Info

Publication number: WO2012052303A1
Application number: PCT/EP2011/067485
Authority: WO
Inventors: Ralf Oehler; Harald Scholz; Frank-Werner Hoffmann
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2013-04-21
Also published as: JP2014500938A; CN103180683A; EP2630430A1; US20130282158A1; DE102010042781A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (40) zur Ausfilterung von Versorgungsnetzstörungen (84) aus einem Elektrodensignal (82) in einem metallurgischen Elektroumschmelzverfahren, insbesondere für die Elektrodenabstandsregelung eines Elektrodenabstands-Regelsystems (48) eines Schmelzofens (10). Die Vorrichtung umfasst hierzu zumindest eine Elektrodensensoreinrichtung (44) zur Messung eines Elektrodensignals (82), insbesondere Elektrodenstroms und/oder Elektrodenspannung der Elektrode (30), eine Netzsensoreinrichtung (46) zur Messung eines Netzsignals, insbesondere Netzstrom und/oder Netzspannung und eine Filterungseinrichtung (50) zur Ausfilterung von Netzstörungen (84) des Netzsignals aus dem Elektrodensignal (82), so dass ein netzstörungsunterdrücktes Elektrodensignal (80) ausgebbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Ausfilterung von Versorgungsnetzstö- rungen aus einem Elektrodensignal in einem metallurgischen Elektro- umschmelzverfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausfilterung von Versorgungsnetzstörungen aus einem Elektrodensignal in einem metallurgischen Elektroumschmelzverfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Elektrodenabstandsregelung eines Elekt- rodenabstands-Regelsystems in einem Schmelzofen im Rahmen eines metallurgi- sches Elektroumschmelzverfahren, wie Vakuum-Lichtbogenumschmelzverfahren oder Elektroschlacke-Umschmelzverfahren.

Im Rahmen eines metallurgischen Elektroumschmelzverfahrens, beispielsweise eines Elektroschlacke- oder Vakuum-Lichtbogenumschmelzverfahren, werden hohe Ströme bei geringen Spannungen zur Umschmelzung einer Elektrode in einer Ofenkammer eingesetzt, wobei durch einen Stromübergang vom Ende der Elektrode zum Schmelzgut hin das Elektrodenmaterial vollständig abgeschmolzen und in das flüssiges Schmelzgut umgewandelt wird, das hochreine Eigenschaften besitzt. Das Elektroumschmelzverfahren ist ein metallurgisches Verfahren zur Herstellung von Stählen höchster Reinheit, die gerichtet erstarren und ein fehlerfreies Gefüge aufweisen. Bei diesem Verfahren wird ein fester Stahlblock in einem Schlackebad eingetaucht, wobei der Block als Elektrode fungiert und abschmilzt. Beim Durchgang durch die Schlacke werden Schwefel und nichtmetallurgische Einschlüsse von der Schlacke aufgenommen und später abgeschieden. Der Stahl erstarrt unter der Schlacke. Die derartig hergestellten Stähle weisen eine verbesserte technologische Eigenschaft auf. Das Vakuum-Lichtbogenschmelzverfahren ist ein Schmelzprozess zur Herstellung hochqualitativer Schmelzgüter, die verbesserte chemische und mechanische Eigenschaften und Homogenitäten aufweisen und höchsten Qualitätsanforderungen entsprechen. Hierzu wird eine Elektrode in einem Vakuum oder einer Niederdruckatmosphäre in einer gekühlten Ofenkammer mit Hilfe eines Lichtbogens abgeschmol- zen, wobei das flüssige Schmelzgut sich am Ofenkammerende sammelt und eine hochpräzise Regelung bezüglich eines möglichst gleichen Abstandes zwischen abschmelzender Elektrodenunterkannte und steigender Oberfläche des flüssigen Schmelzgutes durchgeführt werden muss. Solchen elektrodenbasierten metallurgischen Umschmelzverfahren werden üblicherweise in einer rauen elektrischen Umgebung durchgeführt, in der hochstromige Verbraucher vorhanden sind und entsprechende Störungen wie Spannungseinbrüche, schwankende Spannungshöhen und hochfrequente Schaltimpulse etc. im Versorgungsnetz auftreten. Beispielsweise werden eine Vielzahl von Beleuchtungs, - Heizungseinrichtungen oder Antriebsmotoren mittels Leistungsreglern und/oder Wechselrichtern angesteuert werden, so dass hochfrequente Schaltimpulse der elektrischen Antriebe im Versorgungsnetz nachweisbar sind. Diese Störungen schlagen sich bis auf die Gleichstrom- oder Wechselstrom-Versorgungsspannung für das Umschmelzverfahren nieder und lassen sich dort nachweisen.

In der Regel sind die auftretenden Netzstörungen periodisch, d. h. treten entsprechend der Frequenz oder einem Vielfachen der Frequenz des Versorgungsnetzes, z. B. 50 oder 60 Hz auf. Somit lassen sich bei einer Vielzahl dieser Netzstörungen Phasenrelationen zu der Netzperiode herstellen. Diese Störungen können bei Um- setzung als Versorgungsspannung für das Umschmelzverfahren in das elektrische Systems des Umschmelzverfahrens eingespeist werden, und wirken sich dort negativ aus. So basiert in modernen Umschmelzöfen die Elektrodenabstandsregelung, d. h. der Regelung des Abstands der Elektrode zur Schmelzgutoberfläche, die wesentlich für die Qualität des Schmelzguts verantwortlich ist, auf einer indirekten Messung der Spannung bzw. Ströme von Elektrode zum Schmelzgut, wobei auftretende Kurzschlüsse detektiert werden und auf Basis dieser Kurzschlüsse der Elektrodenabstand geregelt werden kann. Ein konstantes Auftreten gleichartiger Tropfenkurzschlüsse weist auf einen konstanten Elektrodenabstand hin. So gibt es beispielsweise parallele Weiterentwicklungen, die eine verbesserte Elektrodenregelung durch eine hochgenaue Detektion von Elektrodenkurzschlüsse in engen Spannungsbereichen bzw. geringen Zeitintervallen berücksichtigen. In diesen Fällen wirken sich Netzstörungen, die auf die Versorgungsströme durchschlagen, sehr negativ auf die Elektrodenabstandsregelung aus. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, mit deren Hilfe Versorgungsnetzstörungen im Rahmen eines metallurgischen Elektroumschmelzverfahrens herausgefiltert werden können, so dass insbesondere eine hochgenaue Elektrodenabstandsregelung, die auf die Detektion von Spannungs- oder Stromeinbrüchen des Elektrodenstroms basiert, durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Ausfilterung von Versorgungsnetzstörungen aus einem Elektrodensignal in einem metallurgischen Elektroumschmelz- verfahren vorgeschlagen, die insbesondere für die Elektrodenabstandsregelung eines Elektrodenabstands-Regelsystems eines Schmelzofens eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung umfasst zumindest eine Elektrodensensoreinrichtung zur Messung eines Elektrodensignals, insbesondere Elektrodenstroms und/oder Elektrodenspannung der Elektrode, eine Netzsensoreinrichtung zur Messung eines Netzsignals, insbesondere Netzstrom und/oder Netzspannung und eine Filterungseinrichtung zur Ausfilterung von Netzstörungen des Netzsignals aus dem Elektro- densignal, so dass ein netzstörungsunterdrücktes Elektrodensignal ausgebbar ist.

Mit der Vorrichtung werden ein elektrisches Elektrodensignal, beispielsweise die Elektrodenspannung, oder der fließende Elektrodenstrom, der zur Umschmelzung der Elektrode verwendet wird, gemessen und Daten einer Netzsensoreinrichtung erfasst, aus denen beispielsweise der Netzstrom, die Netzspannung oder die Netz- frequenz bestimmen werden können. Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Filterungseinrichtung, die Netzstörungen des Netzsignals aus dem Elektrodensignal herausfiltern kann, so dass ein bereinigtes Elektrodensignal zur Verfügung gestellt werden kann, bei dem etwa periodisch auftretende Netzstörungen unterdrückt sind. Durch einen Vergleich von Elektrodensignal und Netzsignal können netzeingekop- pelte Störungen im Elektrodensignal identifiziert und eliminiert werden, so dass das Elektrodensignal nur Informationen über den Umschmelzvorgang und keine Störeffekte umgebender elektrischer Anlagen enthält. Ein derart gefiltertes Elektrodensignal ermöglicht eine hochgenaue Regelung beispielsweise des Elektrodenabstands zwischen Elektrode und flüssiger Oberfläche des Schmelzguts, so dass eine verbesserte Qualität des Umschmelzgutes erreicht werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Filtereinrichtung zumindest eine Frequenzfiltereinheit zur Frequenzfilterung interessanter Signalbereiche des Elek- troden- und/oder des Netzsignals umfassen. Beispielsweise kann die Filtereinrichtung konventionelle Filterelemente, wie Kapazitäten, Drosseln , ohmsche Widerstände oder Ähnliches umfassen, oder eine aktive Filterschaltung umfassend Schaltbauteile wie Transistoren, Thyristoren oder ICs sein, die periodisch auftretende Netzstörungen aus dem Elektrodensignal herausfiltern können. Die Fre- quenzfiltereinheit kann allerdings auch eine komplexe Signalverarbeitungseinheit umfassen, die das Elektrodensignal oder das Netzsignal analysiert, um korrelierende Signalstörungen aus dem Elektrodensignal analog oder digital ausfiltern zu können. Nach einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Filtereinrichtung zumindest eine Anpassungseinheit zur Anpassung des Netzsignals und/oder des Elektrodensignals aneinander und eine Subtraktionseinheit zur Subtraktion der angepassten Signale voneinander umfassen. Im Falle eines Wechselstrom basierenden Umschmelzverfahrens kann beispielsweise eine Skalierung des Netzsignals oder des Elektrodensignals dazu führen, dass beide Signale amplitudenmäßig aneinander angepasst werden können, so dass eine simple Subtraktion der Signale voneinander lediglich die vom Umschmelzvorgang verursachten Störungen im Elektrodensignal resultieren lassen, so dass auf Basis dieser Kurzschlussinformationen eine Elektrodenregelung durchgeführt werden kann. Im Falles eines

Gleichspannungs-Umschmelzverfahrens kann beispielsweise das Netzsignal gleichgerichtet werden, und in der Amplitude dem Elektrodensignal angepasst werden, so dass in diesem Fall eine Subtraktion ebenfalls zur Ausfilterung der netzinduzierten Fehler führen kann. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Filtereinrichtung eine Phasende- tektionseinheit zur Detektion eines Netzphasenwertes und eine Speichereinheit zur Speicherung zeitdiskreter phasenbezogener Abtastwerte des Elektroden- und/oder des Netzsignals in einer Vielzahl von Phasenspeichersteilen umfassen. Somit kann die Filtereinrichtung entsprechend eines festgestellten Netzphasenwertes, der mit- tels einer Phasendetektionseinheit festgestellt werden kann, z.B. auf Basis eines Nulldurchgangs der Netzphase, Abtastwerte des Elektrodensignals und/oder des Netzsignals zu diskreten Zeitpunkten an Speicherstellen, die nachfolgend als Phasenspeichersteilen bezeichnet werden, vornehmen, und somit eine diskrete Abbildung der aufeinander folgenden Abtastwerte in aufeinander folgenden Phasenzeit- punkten, d. h. in Abtastzeitpunkten einer Netzperiode abspeichern. Hierdurch kann eine abgetastete Phase des Netzsignals und/oder des Elektrodensignals analysiert werden, wobei nach wiederholten Abtastungen auffällige Netzstörungen herausgefiltert werden können. Aufbauend auf den vorangegangen Ausführungsbeispiel kann weiterhin vorteilhaft eine Phasendetektionseinheit ein Netzphasenerkennungsmittel, insbesondere ein PLL-Phasenerkennungsmittel umfassen. Die Phasendetektionseinheit hat die Aufgabe, die Phase, d. h. den Zeitpunkt von einem Nulldurchgang einer Periode der Netzspannung zu erkennen. Hierzu bietet es sich an, ein Netzphasenerkennungs- mittel, beispielsweise ein aus einer Phasenanschlusssteuerung bekanntes Phasenerkennungsmittel oder ein PLL-Phasenerkennungsmittel (Phase-Locked Loop) einzusetzen. Eine Phasenregelschleife, die als„Phase-Locked Loop" bezeichnet wird, ist eine elektronische Schaltungsanordnung, die die Phasenlage und damit zusammenhängend die Frequenz einer Schwingung detektieren kann, wobei eine möglichst geringe Phasenabweichung zwischen einem äußeren Netzsignal und dem erzeugten Signal erzielbar ist. Sie dient zur Erkennung und Nachverfolgung der Phase des Netzes, selbst wenn das Netz mit starken Netzstörungen belastet ist und kann verlässlich eine exakte Phaseninformation liefern. Sie kann dazu dienen, Abtastwerte innerhalb einer Netzperiode hochgenau einzelnen Phasenspeichersteilen zuzuordnen. Sollen phasenbezogen abgetastete Elektroden- oder Netzsignale gespeichert werden, so kann dies grundsätzlich beliebig erfolgen. Ausgehend von den vorangegangenen Ausführungsbeispiel kann in einer vorteilhaften Weiterbildung die Phasen- detektionseinheit eine Multiplexer- und Demultiplexereinheit umfassen, wobei die Multiplexereinheit einer Phasenspeichersteile einen Abtastwert des Elektroden- und/oder des Netzsignals zuweisen und die Demultiplexereinheit einen Abtastwert einer Phasenspeichersteile phasenrichtig auslesen kann. In diesem Fall wird vorgeschlagen, dass auf Basis der detektierten Phase der Phasendetektionseinheit ein Multiplexer angesteuert wird, der jeweils eine vorbestimmte Phasenspeichersteile anwählt, der er ein Abtastwert eines bestimmten Phasenzeitpunktes zuweisen kann, wobei der Multiplexer in Abhängigkeit der detektierten Phase von einer Phasenspeichersteile zur nächsten weiterschalten kann. Dementsprechend werden mittels eines Demultiplexers entsprechend der detektierten Phase die Inhalte der Phasen- speicherstellen abgefragt und deren Werte können kontinuierlich ausgelesen werden, um das gespeicherte Signal zu rekonstruieren. Somit dient die Kombination aus Phasendetektionseinheit, Multiplexer- und Demultiplexereinheit dazu, abgetastete Werte in sogenannte Phasenspeichersteilen abzulegen, die die zeitliche Entwicklung des Elektrodensignals oder des Netzsignals über eine Netzperiode abspei- ehern kann. Somit liegt eine gerasterte Darstellung eingeteilt nach Phasenwerten der Entwicklung des Signals über eine Netzperiode vor. Die einzelnen Phasenabstände zwischen den Werten der Phasenspeichersteilen können konstant gewählt sein, sie können jedoch auch variabel gestaltet sein. So kann es sich anbieten, in Phasenbereichen, in denen hohe Variationen oder Störimpulse auftreten, kleinere Phasenabstände zu wählen, als in Bereichen, in denen geringe Variationen zwischen den einzelnen Phasenpunkten stattfinden.

Aufbauend auf den vorangegangenen Ausführungsbeispielen kann vorteilhafter Weise die Filtereinrichtung des Weiteren eine Periodizitätsanalyseeinheit zur Ana- lyse periodischer Netzstörungen im Elektrodensignal umfassen, wobei die Periodi- zitätsanalyseneinheit in den Phasenspeichersteilen der Speichereinheit gespeicherte phasenbezogene Abtastwerte auslesen, verändern und speichern kann. Die Periodizitätsanalyseeinheit hat dabei Zugriff auf die einzelnen Phasenspeichersteilen und kann darin phasenbezogene Abtastwerte auslesen und miteinander verglei- chen und beispielsweise über mehrere Perioden hinweg die Entwicklung der Werte in den einzelnen Phasenspeichersteilen beobachten und erkennen, ob in bestimmten Phasenspeichersteilen periodische Signalanteile enthalten sind. Diese können als periodische Netzstörungen identifiziert und von den statistisch verteilten Kurzschlussstörungen des Elektrodensignals unterschieden werden. Solche phasenkon- stanten Störungen können von der Penodizitätsanalyseeinheit in den Phasenspeichersteilen abgezogen werden, so dass Netzstörungen aus den aufgenommenen Elektrodensignalen entfernt werden können.

Aufbauend auf den vorangegangenen Ausführungsbeispielen kann die Periodizi- tätsanalyseeinheit einen zuweisbaren Abtastwert einer Phasenspeichersteile mit zuvor gespeicherten historischen Abtastwerten dieser Phasenspeichersteile einstellbar mittein oder glätten und/oder mit Abtastwerten zeitlich benachbarter Phasenspeichersteilen einstellbar gewichten. Dabei ist es denkbar, dass jede Phasenspeichersteile mehrere Register umfasst, die die historischen Abtastwerte vorange- gangener Netzperioden beinhalten. Die Penodizitätsanalyseeinheit kann die aktuell gespeicherten Abtastwerte jeder Phase mit vorangegangen Abtastwerten des gleichen Phasenzeitpunktes oder den aktuellen und historischen Werten benachbarter Phasenspeichersteilen vergleichen. Dabei kann sie benachbart zeitlich wie Netzpe- riodenhistorisch eine Mittlung, Glättung und Analyse vornehmen.

Die Penodizitätsanalyseeinheit kann sehr einfach Bereiche hoher Amplitudenvariationen in bestimmten Phasenbereichen oder Zeitabständen erkennen. Dabei ist es denkbar und vorteilhaft, dass die Penodizitätsanalyseeinheit ein Umschaltphasenintervall der Multiplexer- und Demultiplexereinheit anpassbar steuern kann, um ein adaptives Zeitgitter anzulegen. Beispielsweise kann die Penodizitätsanalyseeinheit in Phasenbereichen, in denen geringe Störungen auftreten, große Umschaltphasenintervalle definieren, und in Phasenbereichen, in denen hochfrequente Störungen auftreten, kleine Phasenzeitabstände festlegen, so dass Multiplexer- und Demultiplexereinheit keine äquidistante Abtastung, sondern eine adaptiv einstellbare Abtastung der auftretenden Amplitudenwerte über die Phasenzeiträume vornehmen kann. Somit kann eine adaptiv einstellbare Ausfilterung von Störungen in interessanten Frequenzbereichen erreicht werden. Beispielsweise können 1.000 bis 5.000 Phasenspeichersteilen für eine Netzperiode von 50 oder 60 Hz angelegt werden. Dies entsprecht bei 1000 Speicherstellen einem Phasenzeitintervall von 16 bis 20 με. Somit könnten Netzstörungen im Bereich bis zu 25 kHz berücksichtigt werden. Entsprechend kann bei einer höheren Anzahl von Phasenspeichersteilen höherfre- quente Netzstörungen berücksichtigt werden. Üblicherweise arbeiten Motorsteuer- Wechselrichter mit Abtastfrequenzen von 16 kHz, Leistungssteiler verursachen signifikante Störimpulse bis in den Bereich von 20kHz oder höher, so dass sich eine Anzahl von Phasenspeichersteilen von 1.000 bis 20.000 anbietet.

In einem nebengeordneten Aspekt schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Filterung von Versorgungsnetzstörungen aus einem Elektrodensignal in einem metallurgischen Umschmelzverfahren vor, das insbesondere für die Elektrodenabstandsre- gelung und bevorzugt unter Verwendung einer Vorrichtung nach einen der vorangegangenen Ansprüche einsetzbar ist. Hierbei wird ein Elektrodensignal, insbesondere ein Elektrodenstrom und/oder Elektrodenspannung der Elektrode und ein Netzsignal, insbesondere Netzstrom und/oder Netzspannung oder Netzfrequenz gemessen und Netzstörungen des Netzsignals aus dem Elektrodensignal ausgefiltert, so dass ein netzstörungsunterdrücktes Elektrodensignal ausgegeben werden kann. Das

Filterverfahren berücksichtigt sowohl die Entwicklung des Elektrodensignals an sich, als auch zumindest eine Phasenbeziehung, die aus der Netzspannung gewonnen werden kann. Auf Basis der gemessenen Netzspannung können Störungen, die aus dem Versorgungsnetz in das Elektrodensignal gelangt sind, aus dem Elektrodensig- nal eliminiert werden. Hierzu kann beispielsweise eine Phasenbeziehung, die aus dem Netzsignal abgeleitet werden kann, dienen, um phasenkorrelierte Netzstörungen aus dem Elektrodensignal zu entfernen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann das Elektrodensignal und das Netzsignal aneinander angepasst und voneinander subtrahiert werden. Beispielsweise kann das Netzsignal im Falle von wechselspannungsbasierten Umschmelzverfahren skaliert auf Größe des Elektrodensignals transformiert werden, und von diesem abgezogen werden, wobei alle entsprechenden Netzsignalstörungen im Elektrodensignal eliminiert werden können. Übrig bleibt ein Elektrodensignal, in dem lediglich vom Umschmelzverfahren beeinflusste Störungen enthalten sind. Im Falle eines gleichspannungsbasierten Umschmelzverfahrens kann das Netzsignal gleichgerichtet werden, wobei sich in dem gleichgerichteten Netzsignal ebenfalls Netzstörungen abbilden und diese können skaliert von dem gleichgerichteten Elektrodensignal abgezogen werden, um lediglich durch das Umschmelzverfahren verursachte Störungen des Elektrodensignals analysieren zu können. Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann auf Basis des Netzsignals eine Netzphase erkannt und phasenbezogene Abtastwerte des Elektrodensignals gespeichert werden, so dass auf Basis der Elektrodensignal-Abtastwerte periodische Netzstörungen erkannt und von dem Elektrodensignal abgezogen werden können. Somit schlägt dieser Verfahrensablauf vor, phasenbezogene Abtastwerte des Elektrodensignals zu speichern und deren Phasenbeziehung gegenüber der Netzperiode zu analysieren, wobei netzphasenkorrelierte Störsignalanteile aus den Elektrodensignal-Abtastwerten herausfiltern zu können.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung können die Abtastwerte mit vorangegangenen Abtastwerten gemittelt und/oder mit phasenbenachbarten Abtastwerten einstellbar gewichtet, insbesondere amplituden-, phasen- und/oder frequenzabhängig gewichtet werden. Durch die Phasenabtastung können bei geringen Phasendifferenzen die Abtastwerte nur ungenau der exakten Phase zugeordnet werden. Somit kann eine Verbesserung der Filterwirkung dadurch erreicht werden, dass benachbarte Phasenwerte und ebenfalls vorangegangene Netzphasenwerte berücksichtigt werden und diese gewichtet bzw. geglättet bei der Analyse der Phasenbeziehungen berücksichtigt werden.

Eine zusätzliche oder alternative Filtermöglichkeit kann darin bestehen, solche Phasenorte, an denen Störungen mit Phasenfluktuation vorkommen, z.B. durch Betrachtung der näheren Phasenumgebung zu lokalisieren und in diesen Momenten das gefilterte Signal durch ein weiteres Filter, beispielsweise ein Tiefpassfilter mit ange- passter Sperrfrequenz zu filtern. Die Anpassung folgt aus der Art der Störung an diesem Phasenort.

Beispielsweise schaltet ein Thyristorsteller über einen längeren Zeitraum bei Phase 40 +/-1-2° schnell und unregelmäßig schwankend eine Heizung an und aus. Im Bereich 38 bis 42° tritt also eine Last-Flanke auf. Diese Flanke weist beispielsweise eine Steilheit, die z.B. einem Spektrum von 10kHz entspricht, auf. Der Filter wird im Bereich 38 bis 42° die Störungen nicht effektiv ausfiltern können, da in diesem Bereich die Störung phasenmäßig variiert. Aber ein nachgeschalteter Tiefpass mit < 10kHz Sperrfrequenz, der nur in diesem Zeitintervall zugeschaltet ist, in dem die Phasenlage zwischen 38 und 42° liegt, kann diese hochfrequente phasenverwischte Störung unterdrücken. Dieser Tiefpass würde sozusagen das Elektroden-Signal "retuschieren", so dass nur diejenigen Teile nicht unterdrückt werden, von denen man sicher sein kann, dass sie nicht durch Störungen überlagert sind. Somit kann ein nur in gewissen kleinen Phasenzeiträumen, insbesondere kleiner als 10°, bevorzugt kleiner 5° selektiv zuschaltbarer Frequenzfilter, insbesondere Tiefpassfilter periodische auftretende Störungen wirksam unterdrücken, ohne statistisch unkorrelierte Kurzschlussinformationen zu beeinträchtigen. Des Weiteren können die in diesem Zeitbereich auftretenden Störsignale bei der Betrachtung der Elektrodenabstandsregelung ignoriert werden. Hierzu kann es vorteilhaft sein, dass die Information über die Lokalisierung der zu ignorierenden Signalanteile an die Regeleinrichtung, beispielsweise einem Tropfende- tektor weitergegeben wird.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Phasenintervall der Abtastwerte entsprechend auftretender Signalveränderungen adaptiv angepasst werden. Das Phasenintervall, d. h. der zeitliche Abstand zweier Abtastwerte innerhalb einer Netzperiode kann angepasst werden, beispielsweise an die Variation der Netzspannung bzw. der Variation des Elektrodensignals, so dass bei hochfrequenten Störungen im Elektrodensignal oder Netzsignal eine feinere Abtastung, d. h. ein kürzeres Phasenintervall als in Bereichen mit geringen Störungen eingestellt werden kann. Somit kann bei einer endlichen Auflösung der Phasenabtastwerte eine ver- besserte Genauigkeit der Filterwirkung erzielt werden. Die Anpassung kann auch durch Vorgabe einer gewünschten Filtergenauigkeit bzw. eines gewünschten Filterbereichs beeinflusst werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Anzahl der Abtastwerte variabel, insbesondere an Art und Umfang der Netzstörung und/oder Phase des Umschmelz- vorgangs angepasst werden. Beispielsweise kann in der anfänglichen Umschmelz- phase, in der nur geringe Elektrodenstörungen auftreten bzw. die Netzstörungen nur eine untergeordnete Rolle spielen, eine relativ grobe Auflösung des Netzfilters gewählt werden, und im Bereich einer hochsensitiven Umschmelzphase eine mög- liehst hohe Auflösung mit einer großen Anzahl an Phasenspeichersteilen und einem entsprechend hohen Rechenaufwand eingesetzt werden, um Netzstörungen insbesondere in Bereichen beispielsweise hoher oder niedriger Tropfenkurzschlussraten effektiv herausfiltern zu können. Hierdurch kann adaptiv ein Störfilter entsprechend einer gewünschten Filtergenauigkeit eingesetzt werden. Die auf einer Phasendetektion beruhende Vorrichtung kann in ihrer Wirkungsweise grundsätzlich mit einem verblassenden Fluoreszenzbildschirm beispielsweise eines Oszilloskops verglichen werden. Ein solches Verfahren wird in modernen digitalen Oszilloskopen als Digital Persistence-Mode bezeichnet und dient der Analyse kom- plexer Schwingungsvorgänge: Innerhalb einer Netzperiode, beispielsweise 50 Hz, d. h. 20 ms oder 60 Hz, d. h. 16.66 ms werden Elektrodensignaldaten beispielsweise Elektrodenspannung oder Elektrodenstrom aufgezeichnet und in diskreten Phasenspeichersteilen abgelegt. Nach mehrmaligen wiederholten Netzperioden bleiben in den Phasenspeichersteilen durch Mittelungs- und Vergleichsoperationen nur dieje- nigen Werte dauerhaft bestehen, die periodisch, d. h. eine feste Phasenbeziehung zur Netzperiode beispielsweise eine harmonische Oberschwingung aufweisen, erhalten. Einmalig auftretende Störungen„verblassen". Dies ist vergleichbar mit einem Elektrodenstrahl, der über einen fluoreszierenden Bildschirm eines Oszilloskops streicht und nachleuchtet, wobei die nachleuchtenden Bereiche mit der Zeit verblassen, sofern periodisch diese Signale nicht weiterhin auftreten. Solche periodisch mit einem festen Phasenbezug auftretende Signale können als Netzstörungen interpretiert werden und von dem orginär aufgezeichneten Elektrodensignal abgezogen werden, so dass ein störungsfreies Elektrodensignal vorliegt. In diesem Sinn kann die Mittelung zwischen benachbarten Phasenspeichersteilen bzw. vorange- gangenen Phasenspeichersteilen als flüchtiges„Phasengedächtnis" interpretiert werden, so dass Signalanteile, die mit einem Phasenbezug behaftet sind und innerhalb einer Netzperiode wiederholt und über mehrere Netzperioden hinweg auftreten, erhalten bleiben, wobei stochastische Störungen, die beispielsweise auf Tropfenkurzschlüsse zurückzuführen sind, in dem aufgezeichneten Signal des Phasenspei- chers nicht abgebildet werden. Eine Subtraktion des in der Speichereinheit dargestellten„nachleuchtenden" Signals vom gegenwärtig aufgezeichneten Elektrodensignal bewirkt eine Unterdrückung von Signalanteilen, die einen festen Phasenbezug zur Netzperiode aufweisen und damit als Netzstörungen zu interpretieren sind. Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusam- menfassen. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine metallurgische Elektroumschmelzvorrich- tung mit elektrobasierter Elektrodenabstandsregelung;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ausfiltervorrichtung;

Fig. 3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer

Ausfiltervorrichtung;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ausfiltervorrichtung;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ausfiltervorrichtung;

Fig. 6 ein ungefiltertes, gefiltertes Elektrodensignal sowie ein Netzstörsignal

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszei- chen beziffert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine metallurgische Elektroumschmelzvorrichtung, in diesem Fall ein Vakuum-Elektrodenumschmelzvorrichtung, bei der in einem Elektroschmelzofen 10 der Abstand einer Elektrode 30 gegenüber der flüssigen Oberfläche eines Schmelzguts 32 mittels einer Elektrodenantriebsvorrichtung 12 eingestellt wird. Die Elektrodenantriebsvorrichtung 12 bewegt vertikal eine Elektrodenvorschubstange 20, an der eine Elektrode 30 befestigt ist und die den Abstand der Elektrodenunterkante gegenüber der flüssigen Oberfläche eines Schmelzguts 32 einstellt. Das Schmelzgut 32 ist in einer wassergekühlten Vakuum-Ofenkammer 22 umfasst, wobei ein Niederdruck bzw. Vakuum durch eine Vakuumerzeugungsvorrichtung 24 erzeugt wird. Aufgrund der messtechnisch schwierig durchzuführenden direkten Elektrodenabstandsmessung wird eine indirekte Messung durch Betrachtung eines Elektrodensignals, d.h. des durch Stromführungsleitungen 18 der Elektrode und dem Schmelzgut 32 zugeführten Elektrodenstroms bzw. der anliegenden Elektrodenspannung durchgeführt. Hierzu ist eine Elektrodensensoreinrichtung 44, beispielsweise ein Strom- und/oder ein Spannungsmesseinrichtung an den Stromzuführungsleitungen 18 der Elektrode 30 angeschlossen, deren Signale von einer Elektrodenabstands-Regelungssystem 48 abgegriffen werden. Die Elektrodenspannung bzw. der Elektrodenstrom wird von einer Umschmelzstromversorgungsvor- richtung 16 bereitgestellt. Diese erhält die Versorgungsspannung durch ein Versorgungsnetz 42 beispielsweise als Dreiphasen-Drehstrom bzw. unter Zwischenschaltung eines Transformators aus einem Hochspannungsnetz. Aufgrund der in näherer elektrischer Umgebung installierten hochstromigen Verbraucher kann die bezogene elektrische Energie des Versorgungsnetzes 42 mit Störungen überlagert sein. Diese Störungen können beispielsweise Spannungseinbrüche, hochfrequente Schwingungen und Impulse aufgrund von Phasenanschnittsteuerungen, beispielsweise von elektromotorischen Antrieben oder Leistungsstellern wie thyristorbasierten Dimmer- schaltungen, periodischen Schaltvorgängen von Beleuchtungen, Heizungen, Maschinen und ähnliches sein. Diese Störungen werden durch die Stromversorgungs- einrichtung 16 bis in das Elektrodensignal eingekoppelt, beeinflussen zum einen nachteilig den Umschmelzprozess, und erschweren zum anderen eine direkte Messung relevanter Parameter des Elektrodensignals, die beispielsweise zur Abstandsregelung verwendet werden können. Dies können beispielsweise Tropfenkurzschlussraten, die Konstanz der anliegenden Gleichspannung oder Ähnliches sein. Um diese negativen Netzstörsignale aus dem Elektrodensignal herauszufiltern, umfasst das Elektrodenabstandsregelsystem 48 eine Netzstörungsfiltervorrichtung 40 sowie eine Elektrodenabstandsregelvorrichtung 72, die direkt die Elektrodenantriebsvorrichtung 12 ansteuern kann, um einen optimalen Elektrodenabstand auszu- regeln. Die eine Elektrodenabstandsregelvorrichtung 72 nimmt eine Abstandsrege- lung auf Basis des netzstörungsbereinigten Elektrodensignals vor.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Netzstörungsfiltervorrichtung 40. Die in Fig. 2 dargestellte Netzstörungsfiltervorrichtung 40 basiert auf einer Skalierung des Elektroden- und/oder des Netzsignals, so dass beide Signale aneinander angepasst und voneinander subtrahiert werden können. Hierzu umfasst die Netzstörungsfiltervorrichtung 40 eine Elektrodensensorvorrichtung 44, beispielsweise Spannungs- oder Strommesser, die ein Elektrodensignal der Stromzuführungsleitung 18 der Umschmelzelektrode abgreift. Das Elektrodensignal 82 der Elektroden- sensoreinrichtung 44 wird an eine Signalanpassungseinheit 54 weitergeleitet. Pa- rallel hierzu nimmt eine Netzsensoreinrichtung 46 ein Netzsignal 86 eines Versor- gungsnetzes 42 auf und leitet dieses ebenfalls an eine Signalanpassungseinheit 54 weiter. Die beiden Signalanpassungseinheiten passen das Elektrodensignal 82 bzw. das Netzsignal 86 derart an, dass die beiden Signale in einer Subtraktionseinheit 56 voneinander subtrahiert werden können, so dass lediglich die Informationsanteile im Elektrodensignal 82 übrig bleiben, die in Netzsignale 86 nicht vorhanden sind. Somit können Netzstörungen aus dem Elektrodensignal 82 bereinigt werden und diese als netzstörungsunterdrücktes Elektrodensignal 80 ausgegeben werden. Die Signalanpassungseinheit 54 kann beispielsweise Transformatoren, Gleichrichter, Verstärker, Dämpfungsglieder oder Ähnliches umfassen. Insbesondere kann bei einem gleich- spannungsbasierten Elektrodenumschmelzverfahren ein Gleichrichter bzw. Wechselrichter umfasst sein, sowie analoge oder digitale Bauelemente enthalten sein, die beispielsweise das Elektroden- bzw. das Netzsignal 82, 86 in digitaler Form aufbereiten und mittels einer digitalen Verarbeitung voneinander subtrahieren können. Fig. 3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Netzstörungsfilter- vorrichtung 40, in der ebenfalls ein Elektrodensignal 82 durch eine Elektrodensen- soreinrichtung 44 aus den Stromzuführungsleitungen 18 der Umschmelzelektrode sowie einem Netzsignal 86 aus dem Versorgungsnetz 42 durch eine Netzsensoreinrichtung 46 abgegriffen und einer Filtereinrichtung 50 zugeführt wird. Innerhalb der Filtereinrichtung 50 wird das Netzsignal 86 durch eine Phasendetektionseinheit 58 aufgenommen, wobei eine Netzperiode beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz (Periodendauer 20 ms oder 16.66 ms) erkannt wird. Hierdurch ist die Netzphase des gegenwärtig erkannten Netzsignals bekannt und es können Netzphasenbasierte Amplitudenvergleiche durchgeführt werden. Elektroden- und Netzsignal 82, 86 werden an die Phasendetektionseinheit 58 weitergeleitet und in eine Periodizitätsanalyse- einheit 70 weitergegeben. Des Weiteren wird das Elektrodensignal 82 einer Speichereinheit 60 weitergeleitet, in der eine phasenkorrelierte Abspeicherung der abgetasteten Elektrodensignalanteile durchgeführt wird. Somit wird vergleichbar einem schreibenden Elektrodenstrahl auf einer nachleuchtenden Bildschirmoberfläche Signale der Elektrodensignale in Phasenspeichersteilen der Speichereinheit 60 abgelegt und können durch die Periodizitätsanalyseeinheit 70 auf das Auftreten einer netzperiodenkorrelierten Störung untersucht werden. Die Periodizitätsanalyseeinheit 70 kann zum einen die aktuell vorliegende Phasenzeit sowie Signale vorangehender und benachbarter Phasenstellen berücksichtigen, um periodisch auftre- tende Störsignalanteile in den in den Phasenspeichersteilen der Speichereinheit 60 gespeicherten Elektrodensignal-Abtastwerte zu identifizieren. Anschließend kann aus dem aufgenommenen Elektrodensignal 82 die Störsignalanteile, die in der Speichereinheit 60 erkannt worden sind, abgezogen werden, um ein netzstörungs- unterdrücktes Elektrodensignal 80 auszugeben.

Aufbauend auf dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 4 eine detaillierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Netzstörungsfiltervorrich- tung 40, die auf einer phasenbasierten Detektion von Netzstörungen basiert. Die Netzstörungsfiltervorrichtung 40 der Fig. 4 umfasst eine Netzsensoreinrichtung 46 zur Aufnahme eines Netzsignals 86 und eine Elektrodensensoreinrichtung 44 zur Aufnahme eines Elektrodensignals 82. Aus dem Netzsignal 86 extrahiert eine Pha- sendetektionseinheit 58, die beispielsweise ein Netzphasenerkennungsmittel 64, insbesondere eine PLL umfasst, eine Netzperiodendauer sowie eine Information der jeweils anliegenden Netzphase, beispielsweise in Form eines Zeitversatzes At oder eines Winkels φ der von 0 bis 360° läuft und eine Netzperiode von beispielsweise 50 Hz (20 ms) oder 60 Hz (16.66 ms) abdeckt. Das Netzsignal 86 wird lediglich zur Extraktion der Netzphaseninformation ausgewertet und spielt für die weitere Signalverarbeitung keine Rolle, da sich diese ausschließlich auf das Elektrodensignal konzentriert und ausgehend von dem Elektrodensignal und der Kenntnis der Netz- phase eine Identifikation phasenkorrelierter Störsignale vornimmt. Das Elektrodensignal 82 wird zum einen an eine Subtraktionseinheit 56 weitergeleitet und zum anderen nach einer Tiefpassfilterung über eine Frequenzfiltereinheit 52 an eine Multiplexereinheit 66 weitergeleitet, die in Abhängigkeit der erkannten Phase eine Zuweisung des abgetasteten Elektrodensignals zu einzelnen Phasenspeichersteilen 62 einer Speichereinheit 60 vornimmt. Damit werden abgetastete Elektrodensignal- werte in eine endliche Zahl von Phasenspeichersteilen abgelegt, wobei zu jedem Abtastwert eine Phasenbeziehung bekannt ist. Die Phasenspeichersteilen 62 können beispielsweise Sample und Hold-Glieder sein, die eine Momentanwertabtastung und Speicherung des Abtastwerts vornehmen können. Dabei kann insbesondere die Phasenspeichersteile 62 eine„vergessliche" Phasenspeichersteile sein, die beispielsweise als Kondensator-Widerstandkonfigurationen (R-C-Glied) vergleichbar einem Tiefpasses die gespeicherten Werte nach einer einstellbaren kurzen Zeit wieder„vergessen". Somit können beispielsweise die innerhalb einer Periode aufgezeichneten Elektrodensignale schon nach zwei bis drei weiteren Netzperioden völlig aus den Phasenspeichersteilen gelöscht sein. Auf der gegenüberliegenden Seite der Speichereinheit 60 befindet sich eine Demultiplexeinheit 68, die ein phasenrichtiges Auslesen der abgespeicherten Werte der Phasenspeichersteilen 62 vornehmen kann und die das abgespeicherte Elektrodensignal rekonstruieren kann. Das rekonstruierte abgetastete Elektrodensignal wird von dem tatsächlichen Elek- trodensignal 82 in einer Subtraktionseinheit 58 abgezogen, wodurch ein gleichspannungsbefreites und von Netzstörsignalen befreites Elektrodensignal 80 ausgegeben werden kann. Wesentlich für die Qualität der Störsignalunterdrückung ist die Eigenschaft der Phasenspeichersteile 62, beispielsweise abgelegte Werte nach einer oder mehreren Netzperioden zu vergessen bzw. kleiner werden zu lassen. Dies kann vergleichbar dem Nachleuchten eines Elektrodenstrahls, der über eine fluoreszierende Oberfläche schreibt, interpretiert werden. Werden Signalanteile nur einmalig erfasst, so leuchten diese praktisch gar nicht oder nur kurz nach. Ein periodisches Auftreten eines Störsignals bewirkt ein„Nachleuchten" bzw. eine dauerhafte Speicherung innerhalb der Phasenspeichersteile 62, so dass diese zuverlässig aus dem Elektrodensignal 82 entfernt werden kann. Somit entfernt die Subtraktionseinheit 56 insbesondere Signalanteile aus dem Elektrodensignal 82, die mit einer gewissen Phasenkorrelation zur Netzperiode wiederholt häufig auftreten. Hierdurch kann ohne Kenntnis der Netzstörungsart und basierend auf der phasenkorrelierten Speicherfähigkeit der Phasenspeichersteilen 82 eine Unterdrückung von phasenbe- zogenen Signalstörungen aus dem Elektrodensignal 82 vorgenommen werden. Bevorzugt sind die Phasenspeichersteilen 62 in Form eines Tiefpasses, d. h. einer RC-Schaltung oder äquivalent einer LR-Schaltung aufgebaut.

In ähnlicher Weise wie das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Netzstörungsfiltervorrichtung 40, die im Wesentlichen dieselben Elemente wie das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält. Die„Vergesslichkeit" der Phasenspeichersteilen 62 wird von einer Periodi- zitätsanalyseeinheit 70 überwacht und ermöglicht, die sowohl einen Zugriff auf die Multiplexereinheit 66 als auch auf die Demultiplexereinheit 68 hat und die Abtastung des Elektrodensignals abhängig von der Art des Signals steuern kann. Somit kann beispielsweise in Phasenbereichen, in denen eine hohe Variation auftritt, geringere Phasenintervalle gewählt werden, um eine verbesserte Auflösung des abgetasteten Elektrodensignals zu erreichen. Dementsprechend muss die Demultiplexereinheit in diesen Phasenstellen eine verbesserte Abtastung des Elektrodensignals zur Rekon- struktion eines periodischen Netzstörsignals ermöglichen. Des Weiteren kann die Periodizitätsanalyseeinheit 70 Zugriff auf die einzelnen Phasenspeichersteilen 62 der Speichereinheit 60 haben, um beispielsweise die Abtastwerte in den einzelnen Sample und Hold-Gliedern bzw. Phasenspeichersteilen mit benachbarten Abtastwerten zu vergleichen, zu mittein bzw. glätten und beispielsweise Speicherwerte vorangegangener Abtastperioden mit aktuell vorliegenden Abtastwerten zu vergleichen. Somit kann eine Mittelung über phasenzeitlich benachbarte als auch historisch vorangegangener Phasenwerte über eine Periode hinweg durchgeführt werden, um beispielsweise Phasendrifts von Störsignalen zu berücksichtigen. So kann die Periodizitätsanalyseeinheit 70 zum einen ein„allmähliches Verblassen" von nicht regelmäßig auftretenden Abtastwerten innerhalb einer Phasenspeichersteile 62 auch eine Analyse vorangegangener Werte sowie Berücksichtigung benachbarter Phasenspeicherwerte vornehmen. Die Einheit 70 kann beispielsweise durch einen Tiefpass oder durch Mittelungs- und Dämpfungsfunktionen vorangegangenen Phasenwerte bzw. benachbarter Phasenwerte berücksichtigen, und ein lokales Verwasehen von Störsignalwerten rekonstruieren. In Phasenbereichen, in denen in der Vergangenheit keine besonderen Netzstörungen detektiert worden sind bzw. keine auffälligen periodisch auftretenden Störanteile im Elektrodensignal 82 festgestellt werden konnten, kann ein großes Phasenabtastintervall zur Ansteuerung der Multi- plexer- und Demultiplexereinheit 66, 68 angesetzt werden. In Bereichen, in denen hohe Störungsintensitäten auftreten, beispielsweise in periodischen Bereichen die ein Vielfaches der Periodendauer des Netzsignals 86 indizieren, können kleine Phasenabtastschntte, d. h. eine hohe Auflösung des abgetasteten Elektrodensignals in der Speichereinheit 60 eingestellt werden. Des Weiteren kann je nach Um- schmelzphase eine aufwändige Analyse von Netzstörsignalen oder auch eine grobe Filterung vorgenommen werden.

Schließlich zeigt Fig. 6 den Verlauf eines störungsbehafteten Elektrodensignals 82, und das daraus extrahierte netzstörungsunterdrückte Netzstörungssignal 80. Deutlich ist in Fig. 6a bei etwa 15 ms ein Tropfenkurzschluss 88 festzustellen, der keine Phasenkorrelation aufweist und nur einmalig auftritt. Des Weiteren sind überlagerte harmonische Schwingungen im Elektrodensignal 82 zu beobachten, die im netzstö- rungsunterdrückten Elektrodensignal 80 extrahiert sind. Hierzu zeigt Fig. 6 b das identifizierte Netzstörsignal 84, in dem die phasenkorrelierten Störanteile, insbesondere harmonische Vielfache der Periodendauer des Netzes deutlich erkennbar sind. Das Netzstörsignal 84 wir am Ausgang der Demultiplexereinheit 68 bereitgestellt, so dass es von dem störungsbehafteten Elektrodensignal 82 mittels der Subtraktionseinheit 56 abgezogen werden kann. Das resultierende netzstörungsunterdrückte Elektrodensignal 80 ist gleichspannungsbefreit und unterdrückt die im Wesentlichen phasenkorrelierten, periodisch auftretenden Störanteile, die auf Netzstörungen zu- rückzuführen sind.

Aus dem Stand der Technik bekannte statische Frequenzfilter können nur eine Frequenzeingrenzung eines Störsignals oder eines interessierten Frequenzbereichs des Elektrodensignals vornehmen, ohne innerhalb des interessierten Frequenzbe- reichs Netzstörungen herausfiltern zu können. Solche regelmäßigen Netzstörungen können z. B. Schaltimpulse einer Phasenanschnittsteuerung bzw. eines Wechselrichters sein, die eine gewisse Phasenbeziehung zur Netzphase oder eine gewisse Periodizität aufweisen und regelmäßig auftreten. Beispielsweise tritt im Rahmen einer Drehstrommotorregelung, einer Heizungs- oder Beleuchtungsregelung eine gewisse Frequenzbeziehung von Schaltstörsignalen auf, die mit der Netzperiode korrelieren.

Die Erfindung schlägt vor, periodisch auftretende Störungen, beispielsweise vielfache harmonische Oberschwingungen der Netzperiode oder andere frequenzkorre- lierte Störsignale, die keine statistisch willkürliche Verteilung aufweisen, herauszu- filtern. Die Netzstörungsfiltervorrichtung kann beispielsweise in einem Vakuum- Lichtbogenumschmelzverfahren, einem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren oder einem vergleichbaren Elektroumschmelzverfahren eingesetzt werden. Als Phasenspeichersteilen können typische Tiefpassfiltervorrichtungen, z. B. RC-Glieder oder LR-Glieder eingesetzt werden, die ein langsames Verblassen eines abgetasteten Signalwerts über mehrere Perioden ermöglichen. Der Filter kann grundsätzlich dazu eingesetzt werden, Störsignale herauszufiltern, die mit der gleichen Frequenz auftreten, wie das Filtertriggersignal und in einer ausreichend festen Phasenbeziehung zueinander stehen. Somit können Gleichrichterstörungen, Phasenanschnittssteue- rungsstörungen oder Netzfrequenzoberwellen effektiv unterdrückt werden.

In einer Ausführungsform wird aus einem Triggersignal ein Signal gewonnen, dass die aktuelle Phase der dem Triggersignal zugrunde liegenden Schwingung, z. B. der Netzfrequenz, beschreibt. Dieses Signal steuert den Multiplexer und den Demul- tiplexer und bestimmt, welche Phasenspeichersteile, d. h. welcher Tiefpass mo- mentan aktiv ist. Das Elektrodensignal, welches störbehaftet ist, wird den zur aktuellen Phase gehörenden Tiefpass zugewiesen, abgetastet und zeitlich gemittelt und nach Abfrage durch den Demultiplexer vom Elektrodensignal wieder abgezogen. Somit kann eine Entfernung von Störsignalen, die zum Triggersignal eine phasen- feste Beziehung aufweisen, erreicht werden, wobei statistisch verteilte Störsignale, beispielsweise Tropfenkurzschlüsse im Elektrodensignal erhalten bleiben.

Die Stabilisierung des Triggers kann beispielsweise durch eine PLL (Phase-Locked loop-Schaltung) oder eine DLL (Delay-Locked loop) oder eine ähnliche Schaltung erreicht werden. Die Phasenspeicher weisen ein Abtastverhalten auf, wobei der Ausgangswert dem Eingangswert beispielsweise träge folgt, d. h. nicht auf kurzfristige Änderungen, sondern nur auf über mehrere Perioden auftretende Änderungen folgt. Die Trägheit des Tiefpasses kann z. B. während des Umschmelzbetriebs individuell verändert werden und beispielsweise je nach Auftreten von Signalen hoch oder tief gewählt werden. Dazu kann für jeden Tiefpass ein Wert ermittelt werden, der von der Abweichung des Eingangssignals vom Ausgangssignal abhängt und diese Abweichung kann z. B. durch eine RMS-Mittlung (Root Mean Square) erfolgen. Das Tiefpassverhalten jeder Phasenspeichersteile kann beispielsweise auf dieser Abweichung beruhen.

Die Trägheit einer jeden Phasenspeichersteile kann in jedem Phasendurchlauf neu bestimmt werden, in dem man die Abweichungen seiner Phasennachbarn und seiner selbst aus den vorherigen Phasendurchläufen mittels einer zeitabhängigen Gewichtungsfunktion berücksichtigt. Diese Gewichtungsfunktion kann im speziellen zeitauflösend und/oder frequenzauflösend sein und beispielsweise aus einer Fouriertransformation resultieren. Des Weiteren kann diese Gewichtungsfunktion selbstoptimierend sein, und wird von der Periodizitätsanalyseeinheit 70 angewendet, die der Gleichung SH(n):=f(SH[n-j][z-i], SH[n][z-i], SH[n+j][z-i]) mit n = Phasenspeichersteile, z = vergangene Phasenwerte folgt. Somit kann die Gleichung voran- gegangene Perioden z als auch benachbarte Speicherstellen n berücksichtigen. Die Einbeziehung von Abtastwerten von benachbarten Phasenspeichersteilen bewirkt, das Störsignale, die ein Phasenkorrelation aufweisen, nur eine geringe Auswirkung haben. Schließlich wird die Filterwirkung an Stellen an denen Phasenabweichungen auftreten können, verringert. Eine einstellbare adaptive Dämpfung passt sich opti- mal an die Charakteristika des auftretenden Störsignals an. Durch eine Extraktion von netzbasierten Störsignal aus dem Elektrodensignal kann eine verbesserte Elek- trodenabstandsregelung oder andere Regelkriterien für ein Umschmelzverfahren erreicht werden, was zu einer erhöhten Qualität des Umschmelzgutes führt. Die vorgeschlagene Erfindung weist einen geringen technischen Aufwand auf, und verbessert signifikant das Umschmelzergebnis und kann beispielsweise bei der Nachrüstung in bestehende Umschmelzöfen aber auch bei der Neuinstallation eingesetzt werden.

Claims

6. Oktober 2011 ALD Vacuum Technologies GmbH G/ALD-005-WO 63450 Hanau Spa Patentansprüche

1. Vorrichtung (40) zur Ausfilterung von Versorgungsnetzstörungen (84) aus einem Elektrodensignal (82) in einem metallurgischen Elektroumschmelzverfahren, insbesondere für die Elektrodenabstandsregelung eines Elektrodenabstands-Regel- systems (48) eines Schmelzofens (10), umfassend zumindest eine Elektrodensen- soreinrichtung (44) zur Messung eines Elektrodensignals (82), insbesondere Elektrodenstroms und/oder Elektrodenspannung der Elektrode (30), eine Netzsensoreinrichtung (46) zur Messung eines Netzsignals, insbesondere Netzstrom und/oder Netzspannung und eine Filterungseinrichtung (50) zur Ausfilterung von Netzstörungen (84) des Netzsignals aus dem Elektrodensignal (82), so dass ein netzstö- rungsunterdrücktes Elektrodensignal (80) ausgebbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Filtereinrichtung (50) zumindest eine

Frequenzfiltereinheit (52) zur Frequenzfilterung interessanter Signalbereiche des Elektroden- (82) und/oder des Netzsignals umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Filtereinrichtung (50) zumindest eine Anpassungseinheit (54) zur Anpassung des Netzsignals und/oder des Elektrodensignals (82) aneinander und eine Subtraktionseinheit (56) zur Subtraktion der angepassten Signale voneinander umfasst.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Filtereinrichtung (50) eine Phasendetektionseinheit (58) zur Detektion eines Netzphasenwer- tes und eine Speichereinheit (60) zur Speicherung zeitdiskreter phasenbezogener

Abtastwerte des Elektroden- (82) und/oder des Netzsignals in einer Vielzahl von Phasenspeichersteilen (62) umfasst.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Phasendetektionseinheit (58) ein

Netzphasenerkennungsmittel (64), insbesondere ein PLL-Phasenerkennungsmittel umfasst.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Phasendetektionseinheit (58) des Weiteren eine Multiplexer- und Demultiplexereinheit (66, 68) umfasst, wobei die Multiplexereinheit (66) einer Phasenspeichersteile (62) einen Abtastwert des Elektroden- (82) und/oder des Netzsignals zuweisen und die Demultiplexereinheit (68) einen Abtastwert einer Phasenspeichersteile (62) phasenrichtig ausle- sen kann.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Filtereinrichtung (50) des Weiteren eine Periodizitätsanalyseeinheit (70) zur Analyse periodischer Netzstörungen (84) im Elektrodensignal (82) umfasst, wobei die Periodizitätsanalysenein- heit (70) in den Phasenspeichersteilen (62) der Speichereinheit (60) gespeicherte phasenbezogene Abtastwerte auslesen, verändern und speichern kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Periodizitätsanalyseeinheit (70) einen zuweisbaren Abtastwert einer Phasenspeichersteile (62) mit zuvor gespeicherten Abtastwerten dieser Phasenspeichersteile (62) einstellbar mittein und/oder mit Abtastwerten benachbarter Phasenspeichersteilen (62) einstellbar gewichten kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die

Periodizitätsanalyseeinheit (70) ein Umschaltphasenintervall der Multiplexer- und Demultiplexereinheit (66, 68) anpassbar steuern kann.

10. Verfahren zur Filterung von Versorgungsnetzstörungen aus einem Elektrodensig- nal (82) in einem metallurgischen Elektroumschmelzverfahren, insbesondere für die Elektrodenabstandsregelung und bevorzugt unter Verwendung einer Vorrichtung (40) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Elektrodensignal (82), insbesondere Elektrodenstrom und/oder Elektrodenspannung der Elektrode (30) und ein Netzsignal, insbesondere Netzstrom und/oder Netzspannung gemessen und Netzstörungen (84) des Netzsignals aus dem Elektrodensignal (82) ausgefiltert werden, so dass ein netzstörungsunterdrücktes Elektrodensignal (80) ausgegeben wird.

1 1. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Elektrodensignal (82) und das Netzsignal aneinander angepasst und voneinander subtrahiert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei auf Basis des Netzsignals eine

Netzphase erkannt und phasenbezogene Abtastwerte des Elektrodensignals (82) gespeichert werden, so dass auf Basis der Elektrodensignal-Abtastwerte periodische Netzstörungen (84) erkannt und von dem Elektrodensignal (82) abgezogen werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12. wobei die Abtastwerte mit vorangegangenen

Abtastwerten gemittelt und/oder mit phasenbenachbarten Abtastwerten einstellbar gewichtet, insbesondere phasen- und/oder frequenzabhängig gewichtet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Phasenintervall der Abtastwerte entsprechend auftretender Signalveränderungen adaptiv angepasst wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Anzahl der Abtastwerte variabel, insbesondere an Art und Umfang der Netzstörung und/oder Phase des Umschmelzvorgangs angepasst wird.