專利名稱：用于交流電弧爐的功率控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電弧爐，尤其涉及用于這種爐中功率控制的裝置和方法。
背景技術(shù)：
交流(AC)電弧爐通常用于熔化或熔解固體物質(zhì)，如金屬或含礦物質(zhì)。這種爐通常使用高功率電弧在耐火補(bǔ)里容器中產(chǎn)生熱能，并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(xiàn)為非線性時(shí)變阻抗的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。因此，由電弧爐吸收的電壓、電流和功率有波動(dòng)的趨勢，這對熔化/熔解過程和供電網(wǎng)絡(luò)都會造成干擾。這些干擾會導(dǎo)致效率低、增加的設(shè)備損耗，在極端情況下還會使供電網(wǎng)絡(luò)或電弧爐受到破壞。
已經(jīng)進(jìn)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(lián)電抗器在電弧穩(wěn)定性方面提供適度的改進(jìn)。靜態(tài)有功補(bǔ)償器(SWC)，包括一個(gè)并聯(lián)閘流晶體管開關(guān)電阻組，已經(jīng)用于減小甩負(fù)荷。為了保持定點(diǎn)的電極電壓、電流或阻抗，控制電弧電極移動(dòng)的電極調(diào)節(jié)器已經(jīng)用于調(diào)節(jié)電弧電極的相對位置。
有些控制系統(tǒng)主要是針對穩(wěn)定電弧爐中的電壓。例如，靜態(tài)無功補(bǔ)償器(SVC)包括一個(gè)并聯(lián)諧波濾波器組和一個(gè)并聯(lián)閘流晶體管控制的電抗器，它們一起工作來降低電壓波動(dòng)或保持恒定的爐功率因子。SVC通過電容性或電感性無功功率的并聯(lián)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)來保持恒定的電壓。
其它控制系統(tǒng)主要是針對穩(wěn)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(lián)電抗，包括一個(gè)串聯(lián)的飽和電抗器或一個(gè)串聯(lián)的閘流晶體管開關(guān)電抗器，來調(diào)節(jié)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(yù)測軟件選通與電弧串聯(lián)安裝的閘流晶體管組件來抑制引起電壓波動(dòng)的電流波動(dòng)的控制器。
由于功率是電壓和電流的乘積(P＝Vrms*Irms*功率因子)，為穩(wěn)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范圍地波動(dòng)。在較大的爐中，有功功率的吸收可以在短時(shí)間內(nèi)改變幾十兆瓦特(MW)。在世界上許多工業(yè)區(qū)，弧島發(fā)電站(與生活用高壓輸電線路網(wǎng)隔離)向相對較大的電弧爐提供動(dòng)力。爐的功率波動(dòng)會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)發(fā)電裝置，例如可以是蒸汽輪機(jī)、柴油機(jī)動(dòng)力活塞或水動(dòng)渦輪機(jī)，中的頻率/速度波動(dòng)。對于頻率波動(dòng)，發(fā)電裝置有可以被吸收而不引起機(jī)械損傷的上下限。超出這些限值，將發(fā)生機(jī)械和電損傷。此外，即使沒有立即發(fā)生損傷，正在發(fā)生的功率和頻率波動(dòng)也會對發(fā)電站造成增加的磨損和損壞。到目前為止，通過在發(fā)電站安裝用于釋放水或蒸汽的旁路閥門(在水或蒸汽輪機(jī)的情況下)，已經(jīng)對這些頻率波動(dòng)進(jìn)行了補(bǔ)償，這增加了抑制頻率波動(dòng)的額外旋轉(zhuǎn)慣性，并大大增加了發(fā)電站的規(guī)模。這種解決方案是昂貴且低效的。
電爐中穩(wěn)定的恒定功率為平穩(wěn)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，從而有助于實(shí)現(xiàn)高爐吞吐水平。因此，需要一種用于電弧爐的高效低成本功率控制系統(tǒng)。還需要一種減小電弧爐中功率波動(dòng)幅度和頻率的功率控制系統(tǒng)。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，用于電弧爐的電源控制系統(tǒng)使用可變電抗器控制和電極高度調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)用于電弧爐的功率，從而減小有功功率的波動(dòng)?？傮w而言，本發(fā)明的電弧爐控制系統(tǒng)通過選擇一個(gè)與爐功率定點(diǎn)相等的爐變壓器電壓分接頭來工作，以每周期為基礎(chǔ)依次連續(xù)地調(diào)節(jié)可變電抗器來調(diào)節(jié)功率波動(dòng)，以便計(jì)算電極阻抗的變化，并通過預(yù)測的電極高度調(diào)節(jié)來減小功率的下降和上升。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于AC電弧爐的功率控制系統(tǒng)，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(tǒng)包括一個(gè)位于電源和電極之間的可變電抗器，一個(gè)監(jiān)控該電極阻抗的可變電抗器控制器，該控制器還響應(yīng)所監(jiān)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(yōu)選地，該功率控制系統(tǒng)包括一個(gè)用于調(diào)節(jié)電極高度的電極移動(dòng)設(shè)備，及一個(gè)配置成預(yù)測電極電弧損失可能起始位置的電極位置控制器。如果預(yù)測到了電弧損失，則該電極位置控制器使得電極移動(dòng)設(shè)備快速降低電極并使得可變電抗器控制器暫時(shí)減小可變電抗的大小。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于AC電弧爐的功率控制系統(tǒng)，該電弧爐具有將電力施加到電弧電極的AC電源，包括一個(gè)用于調(diào)節(jié)電極高度以便控制其電弧長度的電極移動(dòng)設(shè)備，及一個(gè)控制電極移動(dòng)設(shè)備工作的電極位置控制器，該位置控制器配置成監(jiān)控電弧爐的工作特性以便預(yù)測多種不正常狀態(tài)的起始位置，并響應(yīng)特定的預(yù)測不正常狀態(tài)而調(diào)節(jié)電極高度。
對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，通過以下對本發(fā)明特定實(shí)施方案的描述并聯(lián)系相應(yīng)附圖，本發(fā)明的其它方面和特點(diǎn)都將變得很明顯。
附圖簡述現(xiàn)在僅通過實(shí)例并參考相應(yīng)附圖對本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)行描述，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案帶電源的三電極電弧爐的示意圖；圖2是用于圖1電弧爐電源的功率控制系統(tǒng)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(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方案帶電源的六電極電弧爐的示意圖；及圖5是用于圖4電弧爐電源的功率控制系統(tǒng)的方框圖。
優(yōu)選實(shí)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(dāng)?shù)毓╇娍偩€10向爐提供三相電。連接供電總線10是為了從當(dāng)?shù)匕l(fā)電站接收電力。該爐包括三個(gè)電極12，每個(gè)電極都同三個(gè)功率相中的一相關(guān)聯(lián)。電極12連接到帶分接頭的爐變壓器14的爐側(cè)(二次繞組)?？勺冸娍蛊?6和固定電抗器18的串聯(lián)組合將爐變壓器14電源側(cè)(一次繞組)的各相連接到供電總線10的對應(yīng)線路。在所說明的實(shí)施方案中，每個(gè)可變電抗器16都包括一個(gè)與電感線圈23和閘流晶體管開關(guān)22的串聯(lián)組合并聯(lián)的電感線圈20。每個(gè)閘流晶體管開關(guān)22都優(yōu)選地包括一對彼此極性反向排列的閘流晶體管。電極12的電弧端位于爐容器24中，以便熔化或熔解加工原料。優(yōu)選地，電極12安裝成其高度可以調(diào)節(jié)。如在本領(lǐng)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晶體管開關(guān)操作結(jié)果發(fā)生的諧波失真。術(shù)語電抗器和電感線圈在這里是可以相互替換使用的。在整個(gè)附圖中，相同的標(biāo)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(jìn)料模式或進(jìn)料速率與電弧功率來實(shí)現(xiàn)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?yàn)榇蟛糠帜芰慷加糜诹巳刍蛉劢?。電弧爐通常需要操作人員或監(jiān)控計(jì)算機(jī)輸入與原料進(jìn)料速率匹配的期望功率定點(diǎn)值。在傳統(tǒng)的利用現(xiàn)有控制方法的電弧爐中，實(shí)際的功率消耗關(guān)于期望的功率定點(diǎn)有相當(dāng)大的波動(dòng)。本發(fā)明電源的功能就是穩(wěn)定電弧爐所使用的有功功率，以便改善電弧功率同原料進(jìn)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(guān)于單電極12，示出了用于電弧爐的電源控制系統(tǒng)。本發(fā)明的控制系統(tǒng)優(yōu)選地控制電弧爐的三個(gè)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(diào)節(jié)。
首先來看控制爐變壓器14的分接頭位置，該電源控制系統(tǒng)優(yōu)選地包括一個(gè)根據(jù)輸入的期望功率定點(diǎn)設(shè)置分接頭位置的分接頭設(shè)置控制器46。特別地，設(shè)置了該分接頭位置，就可以根據(jù)電弧爐的預(yù)定特性將向電極提供合適的電壓，該電壓使實(shí)際的功率消耗與功率定點(diǎn)大致相等。在操作中，分接頭設(shè)置控制器46優(yōu)選地執(zhí)行以下步驟(a)計(jì)算所需工作電壓；(b)根據(jù)與每個(gè)分接頭關(guān)聯(lián)的預(yù)定(即，銘牌)電壓值計(jì)算合適的變壓器電壓分接頭；及(c)將變壓器分接頭移動(dòng)到計(jì)算出的分接頭(加載或減載)。分接頭設(shè)置控制器46可以包括一個(gè)檢查例程來確保不會發(fā)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(shè)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(dāng)除期望的功率定點(diǎn)之外還提供期望的電極電流時(shí)，工作電壓可以根據(jù)以下等式來確定A＝I2XP2/(VP4)
B＝2I2XPXS/(VP2)-IC＝P2/(9I2)+I2XS2V=-B±B2-4AC2A]]>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(tǒng)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(diǎn)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,]]>然后等式(1)可用于確定所需工作電壓。
在所說明的實(shí)施方案中，當(dāng)其接收到新的期望功率定點(diǎn)或新的期望電極電流或阻抗時(shí)，分接頭設(shè)置控制器46同時(shí)操作變壓器14的所有三相。期望的功率定點(diǎn)一般是由操作人員或監(jiān)控計(jì)算機(jī)輸入的值，而且如到達(dá)并通過爐的原料流速所需的，在整個(gè)生產(chǎn)流水線中是由操作人員或監(jiān)控計(jì)算機(jī)改變的。將實(shí)際功率消耗與期望的功率定點(diǎn)平衡得越好，通常就越少需要操作人員或監(jiān)控計(jì)算機(jī)對功率定點(diǎn)的調(diào)節(jié)。
現(xiàn)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(tǒng)優(yōu)選地包括，對于三相中的每一相，用于測量可變電抗器16電源側(cè)電壓的第一變壓器30、用于測量可變電抗器爐側(cè)電壓的第二變壓器32、用于測量流到變壓器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(diǎn)線路36接收信息，并根據(jù)對這些信息的計(jì)算控制可變電抗器16。在該實(shí)施方案中，三個(gè)可變電抗器中的每一個(gè)都是基本上彼此獨(dú)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(dú)執(zhí)行的。以下是對由電抗器控制器28對三個(gè)可變電抗器16中一個(gè)進(jìn)行控制的描述。與其它兩相關(guān)聯(lián)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(diào)節(jié)閘流晶體管22的點(diǎn)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(dòng)的情況下關(guān)于期望的功率定點(diǎn)調(diào)節(jié)電弧爐中的功率波動(dòng)，根據(jù)從第一和第二變壓器30、32及變流器34讀到的實(shí)時(shí)電流和電壓，電抗器控制器28選通閘流晶體管來改變電抗。優(yōu)選地，閘流晶體管的選通是周期性地進(jìn)行調(diào)節(jié)的，至少每個(gè)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(gè)確定可變電抗器16阻抗下游(即，爐側(cè))的下游阻抗計(jì)算模塊38。特別地，該阻抗計(jì)算模塊38從變流器34接收一個(gè)表示通過爐變壓器14電源側(cè)主電流的輸入，并從變壓器32接收一個(gè)表示可變電抗器爐側(cè)電壓波形的輸入。根據(jù)這些電流和電壓測量值，阻抗計(jì)算模塊38確定可變電抗器爐側(cè)的電阻(RL)和電抗(XL)，并將這些值輸出到所需電抗計(jì)算模塊40。爐側(cè)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(jì)算模塊40還從變壓器30接收一個(gè)表示可變電抗器16電源側(cè)電壓(V)的信號和從定點(diǎn)輸入線路36得到的期望的每相功率定點(diǎn)(P0)作為輸入。根據(jù)這些輸入，電抗計(jì)算模塊40確定為了使實(shí)際爐功率沿期望爐功率定點(diǎn)進(jìn)行的可變電抗器設(shè)想的所需電抗(XREQ)值。在所說明的實(shí)施方案中，在存在電弧電阻波動(dòng)情況下保持功率定點(diǎn)(P0)所需的電抗是根據(jù)以下等式計(jì)算的XREQ=(RLV2P0-RL2)-XL]]>等式(2)等式(2)是基于如圖3所示簡化的電弧爐每相電流表示。在實(shí)際當(dāng)中，根據(jù)其計(jì)算所需電抗的電路模型依賴于目標(biāo)電弧爐的獨(dú)特配置和特性。
電抗器控制器28還包括接收三個(gè)輸入，即由電抗模塊40計(jì)算的所需電抗(XREQ)、由下游阻抗計(jì)算模塊38確定的可變電抗器16爐側(cè)電抗(XL)和電阻(RL)，的選通角計(jì)算模塊42。根據(jù)這些輸入，選通角計(jì)算模塊42為閘流晶體管22確定獲得所計(jì)算的所需電抗的合適點(diǎn)弧角。在一種優(yōu)選實(shí)施方案中，模塊42通過訪問一個(gè)存儲的查找表來確定點(diǎn)弧角，該查找表是根據(jù)目標(biāo)電弧爐的獨(dú)特特性預(yù)先確定的。在所說明的實(shí)施方案中，該查找表的值可以通過執(zhí)行以下步驟預(yù)先確定a)以預(yù)定增量為爐側(cè)電抗(XL)和電阻(RL)確定可能的值；b)對于爐側(cè)電抗(XL)和電阻(RL)的每個(gè)可能值，根據(jù)并聯(lián)電感線圈20和系統(tǒng)線電壓的設(shè)計(jì)值，為每個(gè)0到180度之間的閘流晶體管選通角計(jì)算穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流波形；c)對于每個(gè)穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流，計(jì)算電流基頻成分，并通過獲得系統(tǒng)線電壓與基波電流之比來計(jì)算總基波電抗；d)對于每個(gè)計(jì)算出的總基波電抗，通過從總基波電抗中減去爐側(cè)電抗(XL)來確定可變電抗器的所需電抗值(XREQ)；及e)將結(jié)果列成表，從而可以為所需電抗值(XREQ)、爐側(cè)電抗(XL)和爐側(cè)電阻(RL)的每種可能組合確定所需的選通角。
應(yīng)當(dāng)理解，選通角可以在選通角計(jì)算模塊42中利用除參考預(yù)定查找表之外的方法進(jìn)行計(jì)算，但是假如考慮選通角計(jì)算的計(jì)算密集性和重復(fù)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(jì)算包括在查找表中的值，而且依賴于目標(biāo)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(gè)選通脈沖發(fā)生模塊44，它接收由選通角計(jì)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。該脈沖發(fā)生模塊44包括一個(gè)脈沖選通發(fā)生器，將閘流晶體管22的選通角調(diào)節(jié)到等于由選通角計(jì)算模塊42確定的選通角。在所說明的實(shí)施方案中，脈沖發(fā)生模塊配置成每半個(gè)AC電壓周期更新一次閘流晶體管的選通角，而且在這方面，為了控制閘流晶體管選通角更新的時(shí)間選擇，還包括一個(gè)監(jiān)控通過變壓器30的線電壓的過零檢測器。類似地，在這種實(shí)施方案中，所需電抗計(jì)算模塊40至少每半個(gè)AC線電壓周期確定一次所需電抗值，以確保向脈沖發(fā)生模塊44提供的選通角是最新的。盡管為了充分穩(wěn)定電弧功率一般期望至少每個(gè)功率周期調(diào)節(jié)一次，但是依賴于爐的具體特性，電抗器控制器28可以配置成以大于或小于每半個(gè)周期一次的頻率調(diào)節(jié)點(diǎn)弧角。
如以下更具體描述的，電抗器控制器28優(yōu)選地配置成接收一個(gè)超越(override)信號，當(dāng)電源控制系統(tǒng)檢測到即將發(fā)生電極電弧損失時(shí)，將其完全轉(zhuǎn)到閘流晶體管對22。在所說明的實(shí)施方案中，選通角計(jì)算模塊42配置成當(dāng)選通角計(jì)算模塊從電弧損失預(yù)測模塊56接收到一個(gè)超越控制信號時(shí)，以預(yù)定時(shí)間間隔向選通脈沖發(fā)生模塊44輸出一個(gè)接近于0的選通角指令。來自電弧損失預(yù)測模塊56的超越控制信號優(yōu)先于選通角計(jì)算模塊42從所需電抗計(jì)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(yè)PC很方便地實(shí)現(xiàn)，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解這些模塊的功能性可以利用許多不同的可能硬件和/或軟件配置來實(shí)現(xiàn)。選通脈沖發(fā)生模塊44可以利用一種合適的可編程FPGA設(shè)備方便地實(shí)現(xiàn)，但是還可以使用其它實(shí)現(xiàn)方案，如微處理器或基于專用電路的設(shè)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(lián)的固定電抗器18的存在有助于將平均爐功率因子保持在一個(gè)如在供電總線測量的特定范圍內(nèi)。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的電抗值改變等于或小于電弧電阻的變化量來補(bǔ)償。在這些情況下，從供電總線吸收的結(jié)果無功功率被最小化。電感線圈23用來保護(hù)閘流晶體管對22免受損壞性短路電流的影響。
現(xiàn)在來看電極位置的調(diào)節(jié)，該電源控制系統(tǒng)包括用來調(diào)節(jié)電極移動(dòng)系統(tǒng)54以調(diào)節(jié)電極12相對于爐容器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(shí)時(shí)為基礎(chǔ)監(jiān)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(dòng)。將所監(jiān)控的過程變量及所監(jiān)控過程變量中的變化同預(yù)定表示爐多種不同形式不正常狀態(tài)的存儲值和變化模式進(jìn)行比較。根據(jù)爐過程變量變化中的特征性標(biāo)記，位置控制器預(yù)測多種不同的可能爐不正常狀態(tài)的起始位置，并以一種適合于特定不正常狀態(tài)的模式調(diào)節(jié)電極高度。通過特定的不正常狀態(tài)調(diào)節(jié)，該電極位置控制器試圖減小功率波動(dòng)，而同時(shí)還能保持過程能量效率、爐頂結(jié)構(gòu)完整性和電力系統(tǒng)的電平衡。在圖2所示實(shí)施方案中，電極移動(dòng)系統(tǒng)54示為曲柄驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但是能夠升高和降低電極12的其它系統(tǒng)，如液壓缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也可以使用。
電極位置控制器48優(yōu)選地包括一個(gè)模式確定模塊50，用來連續(xù)地監(jiān)控爐的工作特性并為基于該測量特性的電極高度調(diào)節(jié)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(diǎn)的電極電壓的變壓器58接收輸入。模式確定模塊50還監(jiān)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(jì)算模塊52反饋的電極移動(dòng)、通過線路36的期望功率定點(diǎn)和通過從分接頭設(shè)置控制器46的輸入的爐分接頭設(shè)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(tài)的起始位置，就自動(dòng)從電壓(VOLTAGE)模式、阻抗(IMPEDANCE)模式和電流(CURRENT)工作模式中進(jìn)行選擇。
當(dāng)檢測到開弧情況(例如，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)電極末端無屏蔽位于加工原料之上時(shí))時(shí)，為了保護(hù)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(jīng)發(fā)生還是有可能發(fā)生，模式確定模塊50監(jiān)控多個(gè)變量，包括但不限于(a)電極功率因子的變化；(b)電極功率標(biāo)準(zhǔn)偏差的增加；(c)電極電弧損失的更高發(fā)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(dòng)，如電極的升高和降低擺動(dòng)。模式確定模塊50將這些變量前進(jìn)的監(jiān)控值與預(yù)定表示目標(biāo)電弧爐中一種開弧狀態(tài)起始位置的存儲閾值和方式進(jìn)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(dòng)，一般是以下降方向消除開弧狀態(tài)，的電極位置計(jì)算模塊52的電壓模式控制誤差(控制誤差)等式。在一種優(yōu)選實(shí)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(diǎn)的電壓；kI和kV是預(yù)先計(jì)算好并存儲在查找表中的電流和電壓比例常數(shù)。它們在查找表中是根據(jù)變壓器分接頭的位置進(jìn)行索引的；及I是接近于目標(biāo)電弧爐額定工作電極電流的預(yù)定常量。
在VOLTAGE模式中，利用為各個(gè)電極測量的電壓，控制誤差等式適用于所有三個(gè)電極12。為了確定控制誤差，通過使用預(yù)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(diào)節(jié)快速穩(wěn)定電弧電壓。
模式確定模塊50選擇的缺省模式是IMPEDANCE模式。當(dāng)爐保持有蓋或屏蔽的電弧時(shí)(即，在正常工作中，其中蓋子由位于爐中的被加工產(chǎn)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(shí)施方案三電極系統(tǒng)中每個(gè)電極12的機(jī)械移動(dòng)都是同其它電極的移動(dòng)分離的。當(dāng)其測量阻抗值從定點(diǎn)阻抗值改變預(yù)定量時(shí)每個(gè)單獨(dú)的電極12移動(dòng)，直到測量值和定點(diǎn)值之間的匹配恢復(fù)到預(yù)定偏差中。這樣，對于每個(gè)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(diǎn)阻抗不相等(即，如果對于那個(gè)電極存在不正常狀態(tài))，則模式確定模塊50計(jì)算一個(gè)提供給控制電極移動(dòng)的電極位置計(jì)算模塊的阻抗模式控制誤差等式。優(yōu)選地，該阻抗定點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)阻抗值發(fā)生改變的電極的單獨(dú)調(diào)節(jié)減小了電弧上的加料蓋的干擾。應(yīng)當(dāng)理解，除了由二次側(cè)變壓器58、60進(jìn)行測量，通過根據(jù)適當(dāng)?shù)臓t變壓器匝數(shù)比調(diào)節(jié)一次側(cè)測量值，V和I的值可以分別從一次側(cè)變壓器32和34的測量值導(dǎo)出。
當(dāng)爐工作條件表示高度電不平衡時(shí)(這種情況如果不做處理可能會導(dǎo)致保護(hù)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(dòng)來恢復(fù)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(fù)序電流分量來監(jiān)控電流平衡性。在所說明的實(shí)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(zhí)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(fù)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(dāng)負(fù)序電流的值在預(yù)定時(shí)間內(nèi)保持高于一個(gè)閾值時(shí)，選擇CURRENT模式。當(dāng)電流平衡條件故障被校正后，恢復(fù)IMPEDANCE模式。一旦選擇了CURRENT模式，模式確定模塊50就確定一個(gè)提供給控制電極12移動(dòng)以減小電流不平衡的電極位置計(jì)算模塊52的電流模式控制誤差等式。在一種優(yōu)選實(shí)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(shù)；及V是接近于目標(biāo)電弧爐額定工作電極電壓的預(yù)定常量。
在CURRENT模式中，利用為各個(gè)電極測量的電流，控制誤差等式適用于所有三個(gè)電極12。為了確定控制誤差，通過使用預(yù)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(diào)節(jié)快速平衡電極電流。應(yīng)當(dāng)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(gè)常量代替測量電壓V，而在電壓模式等式情況下用一個(gè)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(shí)施方案的三電極爐中，當(dāng)在一個(gè)電極發(fā)生電弧干擾時(shí)，所有三個(gè)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(gè)電極都會移動(dòng)以便抵消不正常狀態(tài)。但是，在IMPEDANCE模式中，只有阻抗需要調(diào)節(jié)的電極才會移動(dòng)，這最小化了電弧蓋的干擾。
電極位置控制器48包括一個(gè)配置成根據(jù)從模式確定模塊50接收到的指令控制電極移動(dòng)系統(tǒng)54升高或降低電極12的電極位置計(jì)算模塊52。計(jì)算模塊52還為了其自己的使用而監(jiān)控電極位置，并向模式確定模塊50提供關(guān)于電極位置和移動(dòng)的反饋。如上所述，在CURRENT和VOLTAGE模式中，三個(gè)電極都移動(dòng)以便分別將電流和電壓恢復(fù)到定點(diǎn)值。在IMPEDANCE模式中，單獨(dú)移動(dòng)要將其阻抗恢復(fù)到正確水平的電極。計(jì)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(jì)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并利用其如下控制電極移動(dòng)?？刂普`差增加到指數(shù)n，其中α＜n＜β(其中α通常＝1，而β通常＝2)，并由一個(gè)積分器連續(xù)進(jìn)行積分。當(dāng)達(dá)到積分限值時(shí)，電極起始速度被設(shè)定為一個(gè)與整個(gè)積分周期上平均誤差成比例的值。然后使電極速度與瞬時(shí)誤差成比例，直到誤差落在一個(gè)預(yù)定的死區(qū)內(nèi)。然后積分器重啟，當(dāng)電極停止移動(dòng)時(shí)開始積分。在控制誤差高于預(yù)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(dòng)，直到(a)誤差落在預(yù)定死區(qū)內(nèi)，或(b)誤差低于預(yù)置閾值且速度被調(diào)至與瞬時(shí)誤差成比例。通常，本發(fā)明實(shí)施方案中的電極移動(dòng)速度將落在300mm/分鐘到20,000mm/分鐘之間。應(yīng)當(dāng)理解，除了目前提到的方法，電極位置計(jì)算模塊52還可以使用多種不同的已知移動(dòng)控制算法來控制電極移動(dòng)。
電極位置計(jì)算模塊52的一個(gè)新特征是它包括電弧長度超越控制功能，由此它能夠在移動(dòng)每個(gè)電極之前為其確定電極電弧長度，并在移動(dòng)電極的同時(shí)連續(xù)地監(jiān)控電極行程。如果電極行程超出了其計(jì)算電弧長度，則發(fā)出一個(gè)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(yīng)(這可能是由于電極中碳和爐中熔池之間的反應(yīng)造成的)。在該實(shí)施方案中，每個(gè)電極的電弧長度是如下計(jì)算的電弧長度＝(V-I*Rslaq-Vo)/Eo其中V是電極到中性點(diǎn)的電壓；I是電極電流；Rslaq是當(dāng)電極末端剛剛接觸到熱渣池表面時(shí)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/厘米。
在實(shí)際當(dāng)中，電弧長度的計(jì)算可以依賴于除上述變量以外的其它爐工作變量。在該實(shí)施方案中，根據(jù)每半個(gè)周期測量到的爐工作特性，每半個(gè)功率周期對控制誤差進(jìn)行一次積分。但是，本發(fā)明電極高度調(diào)節(jié)器可以使用較低頻率的積分和采樣時(shí)間間隔。
電極位置控制器48還包括由電弧損失預(yù)測算法模塊56實(shí)現(xiàn)的超越控制功能，它預(yù)測另一種類型的不正常狀態(tài)。通過監(jiān)控電弧電流快速衰減特性的起始位置，該模塊預(yù)測任一電極12中的電弧損失并作出響應(yīng)，(a)通知電極位置計(jì)算模塊52快速降低預(yù)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(fā)送一個(gè)導(dǎo)致完全轉(zhuǎn)向與預(yù)測到電弧損失的電極12關(guān)聯(lián)的閘流晶體管開關(guān)22(即，提供接近于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。由閘流晶體管開關(guān)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(qiáng)該電極下面的電場。因此，電弧柱中的電離度將被恢復(fù)，而且防止了電弧損失(或在真正發(fā)生電弧損失的情況下恢復(fù)電弧柱)。一旦電弧柱被恢復(fù)，利用電弧損失預(yù)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(jié)果電弧阻抗，并因此通過增大閘流晶體管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(diǎn)值。傳統(tǒng)上快速電極降低的后果是快速的正序電流和/或功率波動(dòng)，這可能會導(dǎo)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(tǒng)上避免了快速電極降低。但是，在本發(fā)明中，與電極降低一起進(jìn)行的對可變電抗器16的控制減小了正序功率波動(dòng)，從而降低了由于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(xù)運(yùn)轉(zhuǎn))減小了由于電極末端損壞引起的爐延遲的可能性。
電弧損失預(yù)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(gè)電極電流連續(xù)采樣；(iii)IF減小電流的變化率大于預(yù)定限值，AND IF電極電流小于kx(定點(diǎn)值)(iv)THEN全速初始化主控降低并選通閘流晶體管；(v)IF電極電流恢復(fù)到定點(diǎn)值OR IF電極電壓為0
(vi)THEN將電極調(diào)節(jié)交還給模式確定模塊50，將閘流晶體管調(diào)節(jié)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(dāng)電弧爐工作時(shí)，電弧損失預(yù)測算法模塊56通過與每個(gè)電極關(guān)聯(lián)的變流器60監(jiān)控每個(gè)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(yù)定的閾值。該預(yù)定的閾值是根據(jù)目標(biāo)爐的特性選擇的，特別是選定為一個(gè)已知表示即將發(fā)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于電流定點(diǎn)的預(yù)定百分比。(該電流定點(diǎn)是根據(jù)功率定點(diǎn)和變壓器電壓分接頭設(shè)置確定的。)如果存在步驟(iii)中的兩個(gè)檢驗(yàn)條件，則模塊56作出結(jié)論作為每一步(iv)爐工作條件預(yù)示即將發(fā)生的電弧損失，并采取通過通知電極位置計(jì)算模塊52降低電極來避免電弧損失的步驟，并將電抗器控制器28完全轉(zhuǎn)向閘流晶體管22。如步驟(v)所示，保持這些電弧損失避免方法，直到(a)目標(biāo)電極電流恢復(fù)到定點(diǎn)值(該值表示可以防止電弧損失，或者在發(fā)生電弧損失的情況下被恢復(fù)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)之后，電弧損失預(yù)測算法模塊56將對電極調(diào)節(jié)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(dǎo)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(fā)生在電弧再次點(diǎn)燃時(shí)的正序功率波動(dòng)。
電極位置控制器48可以利用合適的可編程工業(yè)PC方便地實(shí)現(xiàn)，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其模塊的功能性可以利用許多不同的可能硬件和/或軟件配置來實(shí)現(xiàn)。分接頭設(shè)置控制器46還可以利用工業(yè)PC或合適的替代品來實(shí)現(xiàn)，還可以利用與用于電極位置控制器48相同的PC來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的可變電抗器控制和電極調(diào)節(jié)有助于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(fù)序功率波動(dòng)?？焖匐婇l流晶體管控制增強(qiáng)了電極調(diào)節(jié)器較慢的功率穩(wěn)定機(jī)械作用。電閘流晶體管控制對電弧波動(dòng)提供了快速響應(yīng)，其中電極調(diào)節(jié)對機(jī)械干擾(例如，加工原料的塌陷、電弧損失等)提供前進(jìn)響應(yīng)?？傮w而言，本發(fā)明的電弧爐控制系統(tǒng)主要有以下功能-選擇與爐功率定點(diǎn)匹配的所需爐變壓器電壓分接頭。
-以半個(gè)周期或一個(gè)周期為基礎(chǔ)連續(xù)調(diào)節(jié)可變電抗器來調(diào)節(jié)功率波動(dòng)，以便抵消電極阻抗的變化；及-通過預(yù)測性電極調(diào)節(jié)來減小導(dǎo)致快速電極下降的功率下降，這將防止電極電弧散出去，并利用閘流晶體管控制和同步電極上升在電弧再次點(diǎn)燃時(shí)控制正序功率波動(dòng)。
在所說明的實(shí)施方案中，描述了一種三電極爐，其中可變電抗器16位于爐變壓器三角形外殼的外面。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的控制系統(tǒng)還適用于其它電弧爐配置。例如，通過適當(dāng)?shù)男薷?，該控制系統(tǒng)可以用于多個(gè)電極同每一相關(guān)聯(lián)的爐，如一對電極12同每一相關(guān)聯(lián)的六電極爐，中得到類似的好處。在這方面，圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方案的六電極爐。用于六電極爐的控制系統(tǒng)同上面圖2中所示和描述的三電極爐的控制系統(tǒng)相似，只是為解決六電極爐和三電極爐的不同而進(jìn)行了如下所指出的一些修改。用于六電極爐的控制系統(tǒng)的方框圖在圖5中示出，其中電極對112同單個(gè)相關(guān)聯(lián)。
參考圖4和5，六電極爐表現(xiàn)為電力系統(tǒng)上的三個(gè)單相負(fù)載(每個(gè)都有兩個(gè)電極12)。每個(gè)電極對112從爐變壓器114的各單相接收功率?？勺冸娍蛊?8位于每個(gè)變壓器114一次繞組和供電總線10的里面。在六電極爐的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，每對電極都可以有獨(dú)立的功率定點(diǎn)。因此有三個(gè)通常相等但可以根據(jù)工作需要設(shè)置為不同的功率定點(diǎn)。每個(gè)爐變壓器114的分接頭是由分接頭設(shè)置控制器46根據(jù)其各個(gè)功率定點(diǎn)選擇的。如上面所指出的，關(guān)于變壓器14，相同的普遍原理適用于為每個(gè)爐變壓器114設(shè)置分接頭。
由于上面所指出的等式(2)也可適用于同單相關(guān)聯(lián)的電極對112，因此關(guān)于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(guān)于三電極爐相同的。
關(guān)于六電極爐中的電極高度調(diào)節(jié)，由于每一對都是從獨(dú)立的爐變壓器114供電的，因此每個(gè)電極對112都同另一電極對隔離。但是，對于任一電極對112，當(dāng)它們由相同的變壓器114供電時(shí)，電極對是彼此電耦合的，因此一個(gè)電極的移動(dòng)會對另一個(gè)電極的電流和電壓產(chǎn)生影響。電極移動(dòng)設(shè)備54在機(jī)械上能夠獨(dú)立地移動(dòng)單個(gè)電極對112中的兩個(gè)電極12。
如在三電極爐中，根據(jù)由模式確定模塊50選定的模式，關(guān)于每個(gè)電極12，控制誤差計(jì)算是由電極位置計(jì)算模塊52執(zhí)行的。因此，執(zhí)行了六次控制誤差計(jì)算，每個(gè)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(gè)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(gè)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(jìn)行監(jiān)控和校正。
在電極對112中，CURRENT模式是一種迅速調(diào)節(jié)電極對電流的快速反應(yīng)模式。它朝相同的方向同時(shí)移動(dòng)一對電極中的兩個(gè)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(jīng)顯著偏離了其平均值，則暫時(shí)選擇CURRENT模式迅速將電流恢復(fù)到定點(diǎn)。物理上，一對電極中的兩個(gè)電極朝相同的方向移動(dòng)一小段時(shí)間。
CURRENT模式還可以用來校正發(fā)生在不同相的不平衡。
為了最小化負(fù)序電流，電流模式必須能夠平衡三個(gè)單相變壓器中每一個(gè)的一次電流。因此，在六電極系統(tǒng)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(gè)變壓器114中每個(gè)的二次電壓分接頭不相同，則一個(gè)電流平衡命令將導(dǎo)致對具有三個(gè)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(diǎn)超越控制。如果電極對的功率定點(diǎn)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(jīng)決定允許高度不平衡。
盡管可變電抗器16示為單對閘流晶體管開關(guān)，但是應(yīng)當(dāng)理解其它配置可以用于可變電抗器16，如多級閘流晶體管開關(guān)。可選地，其它類型的功率半導(dǎo)體開關(guān)可以代替閘流晶體管。
權(quán)利要求
1.一種用于交流(AC)電弧爐的功率控制系統(tǒng)，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(tǒng)包括位于電源和電極之間的可變電抗器；及可變電抗器控制器，用于監(jiān)控電極阻抗，并響應(yīng)所監(jiān)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(quán)利要求1所述的功率控制系統(tǒng)，其中可變電抗器控制器配置成響應(yīng)所監(jiān)控的電極阻抗，周期性地為可變電抗器確定一個(gè)將導(dǎo)致預(yù)定電極功率吸收的電抗值，并使得可變電抗器被調(diào)至所確定的電抗值。
3.如權(quán)利要求2所述的功率控制系統(tǒng)，其中預(yù)定功率吸收是基于對爐處理已知數(shù)量加工原料所需的功率量的確定。
4.如權(quán)利要求2所述的功率控制系統(tǒng)，其中可變電抗器控制器配置成至少每個(gè)AC功率周期確定一次電抗值并在要求的情況下調(diào)節(jié)可變電抗器等于所確定的電抗值。
5.如權(quán)利要求2所述的功率控制系統(tǒng)，其中可變電抗器控制器配置成至少每半個(gè)AC功率周期確定一次電抗值并在要求的情況下調(diào)節(jié)可變電抗器等于所確定的電抗值。
6.如權(quán)利要求1所述的功率控制系統(tǒng)，其中可變電抗器包括一個(gè)閘流晶體管控制的電抗器。
7.如權(quán)利要求6所述的功率控制系統(tǒng)，包括一個(gè)位于電源和電極之間的固定電抗器。
8.如權(quán)利要求1所述的功率控制系統(tǒng)，包括升高和降低電極以控制由此產(chǎn)生的電弧長度的電極移動(dòng)設(shè)備；及控制電極移動(dòng)設(shè)備工作的自動(dòng)電極位置控制器，該電極位置控制器配置成監(jiān)控爐的工作特性，并根據(jù)所監(jiān)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(dòng)。
9.如權(quán)利要求8所述的功率控制系統(tǒng)，其中電極位置控制器比較所監(jiān)控的工作特性和表示電極在加工原料之上太遠(yuǎn)位置的不正常狀態(tài)的預(yù)定值，而且如果比較結(jié)果表示一種不正常狀態(tài)的起始，則調(diào)節(jié)電極高度來消除該不正常狀態(tài)。
10.如權(quán)利要求8所述的功率控制系統(tǒng)，其中電極位置控制器配置成周期性地計(jì)算由電極產(chǎn)生的電弧長度，并且如果該電極位置控制器判斷電極移動(dòng)可能超出所計(jì)算的電弧長度，則使得電極移動(dòng)設(shè)備降低電極移動(dòng)速度。
11.如權(quán)利要求1所述的功率控制系統(tǒng)，包括調(diào)節(jié)電極高度的電極移動(dòng)設(shè)備；電極位置控制器，配置成預(yù)測電極電弧損失的可能起始，而且如果預(yù)測到電弧損失，則使得電極移動(dòng)設(shè)備迅速降低電極及使得可變電抗器控制器暫時(shí)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(gè)電弧電極的三相AC電源和連接在電源各相和三個(gè)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(jiān)控各自的電極阻抗；及b)調(diào)節(jié)可變電抗器的電感來補(bǔ)償各電極阻抗的變化，從而減小從電源吸收的功率波動(dòng)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中對每個(gè)功率相，步驟(b)包括考慮各電極阻抗的變化來確定保持預(yù)定功率消耗水平所需的電感，并相應(yīng)調(diào)節(jié)各可變電抗器。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中對每個(gè)功率相至少每個(gè)AC功率相周期執(zhí)行一次步驟(a)和(b)。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，包括步驟c)監(jiān)控各電極電流以確定所監(jiān)控的電流是否顯示了預(yù)示各電極中電弧損失的特性，如果是，則降低對應(yīng)電極并減小對應(yīng)可變電抗器的電感。
16.如權(quán)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(gè)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(gè)可變電抗器；c)具有一次繞組、二次繞組及用于調(diào)節(jié)變比的分接頭的爐變壓器，一次繞組連接到三個(gè)可變電抗器；d)連接到二次繞組的三個(gè)電弧電極；e)接收加工原料的爐容器，電極具有位于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(chǎn)生用于處理該加工原料的各個(gè)電?。籪)用于調(diào)節(jié)電極相對于爐容器高度的電極移動(dòng)設(shè)備；及g)功率控制系統(tǒng)，用于i)設(shè)置變壓器分接頭，從而使?fàn)t的預(yù)期功率消耗等于預(yù)定的功率消耗；及ii)監(jiān)控表示爐有功功率消耗的爐工作特性，并調(diào)節(jié)可變電抗器和電極高度來最小化有功功率消耗相對于預(yù)定功率消耗的變化。
18.如權(quán)利要求17所述的電弧爐，其中至少每個(gè)AC功率相周期調(diào)節(jié)一次可變電抗器。
19.如權(quán)利要求17所述的電弧爐，其中爐變壓器包括三個(gè)單相變壓器，每個(gè)都具有連接到三個(gè)可變電抗器中一個(gè)的一次繞組，還包括一對連接到每個(gè)單相變壓器二次繞組的電弧電極。
20.一種用于AC電弧爐的功率控制系統(tǒng)，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(tǒng)包括調(diào)節(jié)電極高度來控制其電弧長度的電弧電極移動(dòng)設(shè)備；及控制電極移動(dòng)設(shè)備工作的電極位置控制器，該位置控制器配置成監(jiān)控電弧爐的工作特性來預(yù)測多種不正常狀態(tài)的起始，并響應(yīng)預(yù)測到特定的不正常狀態(tài)而調(diào)節(jié)電極高度。
21.如權(quán)利要求20所述的功率控制系統(tǒng)，其中電極位置控制器配置成監(jiān)控電極移動(dòng)和電弧長度，并在電極位置控制器判斷電極可能或已經(jīng)移動(dòng)超過其電弧長度時(shí)，使移動(dòng)設(shè)備降低電極移動(dòng)的速度。
22.如權(quán)利要求20所述的功率控制系統(tǒng)，其中電極位置控制器配置成監(jiān)控電極的阻抗、檢測所監(jiān)控阻抗從閾值改變預(yù)定量時(shí)的不正常狀態(tài)，并調(diào)節(jié)電極高度，從而將所監(jiān)控阻抗調(diào)節(jié)到預(yù)定的閾值范圍內(nèi)。
23.如權(quán)利要求22所述的功率控制系統(tǒng)，其中爐具有將功率分別施加到三個(gè)電極的三相電源，該電極由電弧電極移動(dòng)設(shè)備單獨(dú)移動(dòng)，該電極位置控制器配置成為每個(gè)功率相監(jiān)控各電極的阻抗，并且為每個(gè)功率相單獨(dú)移動(dòng)各電極，從而允許將電極阻抗調(diào)至預(yù)定水平。
24.如權(quán)利要求22所述的功率控制系統(tǒng)，其中電極位置控制器配置成檢測當(dāng)所監(jiān)控工作特性表示電極在爐中加工原料上面太高位置時(shí)的另一種不正常狀態(tài)，并將電極高度下調(diào)到一個(gè)可接受的水平。
25.如權(quán)利要求22所述的功率控制系統(tǒng)，其中爐具有將功率分別施加到三個(gè)可以由電弧電極移動(dòng)設(shè)備移動(dòng)的電極的三相電源，該電極位置控制器配置成為每個(gè)電極監(jiān)控電流，檢測所監(jiān)控電極電流之間的差值超過預(yù)定閾值時(shí)的另一種不正常狀態(tài)，并調(diào)節(jié)電極的高度，使所監(jiān)控電極電流之間的差值落在一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)。
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(diào)節(jié)電極相對于爐容器高度的電極移動(dòng)系統(tǒng)，該方法包括步驟a)監(jiān)控送入電極的電流；b)確定所監(jiān)控電流是否預(yù)示著存在電極電離損失，如果是，則降低電極并減小可變電抗。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，包括步驟c)緊接步驟(b)，當(dāng)已經(jīng)恢復(fù)電極電離時(shí)增加可變電抗值，以便減小有功功率波動(dòng)。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中步驟(b)包括如果所監(jiān)控電流的大小以超過預(yù)定速度閾值的速度減小且所監(jiān)控電流的大小小于預(yù)定值，則預(yù)示著電離損失的起始。
全文摘要
一種用于AC電弧爐的功率控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括位于爐電源和高度可調(diào)的電弧電極之間的可變電抗器。該控制系統(tǒng)監(jiān)控表示爐有功功率消耗的爐工作特性并調(diào)節(jié)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(yù)測并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(yōu)先權(quán)日2001年2月8日
發(fā)明者T·馬, M·塞迪希, B·佩爾金斯, T·格里特森, J·拉達(dá), T 馬, 舷, 鍰厴, 鶿 申請人:哈茨有限公司, 薩特康電力系統(tǒng)加拿大有限公司