用于电弧炉的集成闪变控制的制作方法

用于电弧炉的集成闪变控制
1.本技术是国际申请号为pct/ep2018/052306、国际申请日为2018年1月30日、中国申请号为201880008282.6的发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及电网中的闪变减少。特别地，本发明涉及用于电弧炉的控制设备、电弧炉系统以及用于控制电弧炉的方法。


背景技术：

3.电弧炉系统向至少一个电极提供ac或dc电压的电源，该至少一个电极生成用于加热炉的电弧。通常，为了优化电弧炉过程，供应到电极的功率被控制。例如，电极的位置可以被控制用于调整电压(经由电弧的长度)。此外，通过电极的电流可以用转换器来控制。
4.电弧炉的重负载变化可能在电网上引起干扰，电力从电网汲取。结果是作为闪变可见的电压波动。通过连接到受干扰的电网的静态无功补偿(svc)或者通过使用像整流器或可控硅堆的电流控制装备来稳定电弧，可以减少闪变。为了优化控制，所谓的闪变计可以用于计算短期和长期闪变值。长期和短期闪变值被用来改进和调整电弧炉控制并降低电网上的闪变。
5.闪变测量装备的要求在国际电工技术标准iec 61000-4-15中被定义。
6.de10 2012 217 232a1描述了可以如何基于熔融过程的起始阶段中的状态确定来减少由电弧炉引起的闪变的方法。
7.wo2016/19861a1涉及用于电弧炉的闪变控制，其包括可以被包括在管理控制器中的闪变计。闪变计可以根据标准iec61000-4-15输出信号。
8.wo03/034566a1涉及用于电弧炉中的电压稳定的控制系统，其中闪变计适于加权每秒0.1到15次波动之间的波动。
9.wo98/27476a1描述了用于监测电弧炉的闪变控制器，其基于电压源转换器的控制，该电压源转换器被连接到公共耦合点。


技术实现要素：

10.本发明的目的是减少由电弧炉引起的闪变。
11.该目的通过独立权利要求的主题来实现。根据从属权利要求和以下描述，进一步的示例性实施例是明显的。
12.本发明的一个方面涉及用于电弧炉的控制设备。电弧炉可以是在使用电弧的情况下用于加热和/或熔化材料的任何设备。通常，电弧炉包括一个或多个电极，该一个或多个电极被供应有相当高的电流，以用于供应和产生电弧，该电弧在包含待加热或熔化的材料的容器内生成。例如，电弧炉可以用于熔化废金属。
13.除了电极之外，电弧炉还可以包括用于控制电弧炉的供电电流的设备，例如转换器和/或另外的装备，诸如冷却设备(例如用于冷却容器)。
14.控制设备可以通过改变电弧的长度来控制电弧的电压(改变电弧的长度可以通过移动电极来实现)和/或可以通过控制转换器来控制电流。
15.根据本发明的实施例，控制设备包括用于控制电弧炉的电弧炉控制模块和用于确定为电弧炉供电的电网中的闪变值的闪变模块，闪变值表示连接到电网的灯的可见改变，其中，电弧炉控制模块适于基于闪变值和可选地基于电流和/或电压来控制电弧炉。电弧炉控制模块和闪变模块被集成到一个结构部件中。
16.在控制设备中，提供闪变计和电弧炉控制模块的功能的闪变模块被集成在一个设备中，以改进控制性能并减少由电弧炉引起的闪变。由一个结构部件提供的控制设备可以包括执行闪变模块和电弧炉控制模块的功能所需的所有硬件。不需要额外的设备并且不需要额外的通信链路来向电弧炉控制模块提供与电网中的闪变有关的信息。
17.一个结构部件可以意味着硬件被设置在一个板上和/或一个壳体内。
18.电网中的闪变可以被定义为连接到电网的灯的亮度的可见变化，这可能是由于电网电压的快速波动。这种闪变可以基于电网中的电压测量结果由闪变模块来确定。针对闪变的信息由闪变模块以闪变值的形式提供，闪变值是表示电网中的闪变的数字。
19.通常，闪变模块可以模拟灯的行为以及人类感知系统以确定闪变值。标准iec 61000-4-15提供用于估计闪变值的方法和/或公式。该闪变值基于观察间隔中的负载改变和作为形状因数的另外的量，该形状因数对负载的形状改变进行建模并且随着负载的相对电压幅度的改变而建模。
20.根据本发明的实施例，电弧炉控制模块和闪变模块是在同一计算设备中的控制设备中可执行的软件模块。通常，由控制设备接收的测量信号可以由电弧炉控制模块和/或闪变模块进行数字化和处理。闪变模块可以以数字形式确定闪变值，并且电弧炉控制模块可以基于闪变值和数字化测量信号来生成用于电弧炉的数字控制信号。
21.计算设备可以包括在其上执行两个模块的一个或多个处理器。例如，电弧炉控制模块和闪变模块在可编程逻辑控制器中被实现。不需要额外的硬件来测量闪变以及调整控制设备。
22.根据本发明的实施例，电弧炉控制模块适于根据闪变值来控制供应到电弧炉的电功率。例如，当闪变值较低时，这表示电弧炉过程是稳定的并且供应到电弧炉的功率可以被增加。另一方面，当闪变值较高时，这表示不稳定的过程，并且可以降低功率。
23.根据本发明的实施例，当闪变值高于阈值时，电弧炉控制模块适于降低供应到电弧炉的电功率。此外，在更简单的控制方案中，当闪变值变得太高时，电弧炉控制模块可以降低功率。
24.根据本发明的实施例，闪变模块适于向电弧炉控制模块提供瞬时闪变值，瞬时闪变值基于在小于10秒的间隔中在电网中的电压测量结果，为了确定闪变，电网中的电压测量结果必须在时间间隔内被评估。为此，闪变模块可以评估在相当短的时间间隔内的电网电压测量结果，该时间间隔短于10秒，诸如1秒的间隔。通过这样的瞬时闪变值，电弧炉控制模块可以对电网中变化的闪变做出非常快速地反应。对电弧炉过程的问题的直接检测是可能的。此外，由于将闪变模块集成到还容纳了电弧炉控制模块的控制设备中，瞬时闪变值在到电弧炉控制模块没有任何延迟的情况下是可用的。
25.标准iec61000-4-15定义了两个另外的闪变值，然而，这两个闪变值基于更长的测
量间隔：
26.根据本发明的实施例，闪变模块适于向电弧炉控制模块提供短期闪变值pst，通过对瞬时闪变值进行平均，短期闪变值基于在10分钟的定义间隔中在电网中的电压测量结果。
27.根据本发明的实施例，电弧闪变模块适于向电弧炉控制模块提供长期闪变值plt，通过对2小时内的pst闪变值进行平均，长期闪变值基于在2小时的间隔中在电网中的电压测量结果。
28.本发明的另一方面涉及一种电弧炉系统，该电弧炉系统包括具有用于利用电能生成电弧的至少一个电极的电弧炉以及用于控制电弧炉的控制设备，如在上面和下面描述的。
29.根据本发明的实施例，电弧炉系统还包括变压器，该变压器用于将来自电网的电压变换成要供应给电弧炉的电压。变压器可以适于将来自电网的ac中压变换成例如小于2kv的低ac电压。
30.根据本发明的实施例，电弧炉系统还可包括转换器，该转换器用于将来自变压器的电压转换成要供应到电弧炉的电极的电压。备选地，转换器可以适于将来自电网的电压转换成要供应到变压器的电压。转换器可以在变压器的初级侧或次级侧上。转换器可以是任何类型的可控开关设备，该可控开关设备适于限制供应到电弧炉的电流。例如，在简单的情况下，转换器可以包括基于诸如晶体管或晶闸管的半导体开关的斩波器电路。利用转换器，可以控制到电弧炉的电流。
31.根据本发明的实施例，转换器是ac到dc转换器或ac到ac转换器。例如，转换器可以是整流器，并且电弧炉过程可以基于dc电压。在电弧炉过程基于ac电压的情况下，转换器可以是斩波器、降压转换器等。
32.本发明的另一方面涉及用于控制电弧炉的方法，该方法例如可以被如在上面和以下描述的控制设备来执行。如已经提到的，该方法可以完全在软件中被实现。然而，方法至少部分地在硬件中实现也是可能的。
33.应当理解的是，如在上文和下文中描述的方法的特征可以是如在上文和下文中描述的控制设备和/或电弧炉系统的特征，并且反之亦然。
34.根据本发明的实施例，方法包括：在为电弧炉供应电能的电网中接收电网电压测量结果；根据电网电压测量结果确定瞬时闪变值，瞬时闪变值表示连接到电网的灯的亮度的可见变化，并且瞬时闪变值基于在小于10秒的间隔中的电网电压测量结果；以及基于瞬时闪变值控制电弧炉，例如通过控制供应到电弧炉的电流和/或电压。
35.如上文所提到的，可以不针对诸如10分钟或更多的较长时间间隔来确定闪变值，而是也可以针对诸如小于10秒的短时间间隔来确定闪变值，这样的瞬时闪变值可以被用于基于所产生的闪变来直接控制电弧炉过程。
36.通常，电弧炉可以经由电压和/或电流或经由电功率来控制。该控制可以补充关于由瞬时闪变值提供的、电网中的闪变的信息。如上文所提及的短期和/或长期闪变值可以被用作控制过程中使用的额外参数。
37.根据本发明的实施例，该方法还包括：基于瞬时闪变值来控制供应到电弧炉的电功率。
38.当瞬时闪变值较低时，这表示电弧炉的连续操作，这通常可以是熔化过程的第二部分中的情况。该第二部分可以例如基于闪变值的阈值来确定。并且，熔化过程的控制可以与第一部分不同地执行。
39.此外，高瞬时闪变值可以表示在熔化过程期间，电弧仅被炉渣严重覆盖，这可能导致熔化材料的不良加热。在这种情况下，可以降低电力。
40.根据本发明的实施例，该方法还包括根据瞬时闪变值来控制供应到电弧炉的电功率。当闪变值上升时，可以降低供应给电弧炉的功率，以减少闪变。另一方面，当闪变值下降时，可以增加功率，因为生成高闪变值的危险较低。
41.根据本发明的实施例，该方法还包括：当瞬时闪变值高于阈值时，降低供应到电弧炉的电功率。此外，当瞬时闪变值变得高于阈值时，可以通过降低供应给电弧炉的功率来防止非常高的闪变值。
42.通常，可以通过控制供应到电弧炉的电压、电流或电压和电流两者来控制功率。电压和/或电流可以通过电弧的长度和/或电极的移动来控制。此外，电压和/或电流可以通过控制转换器来控制，该转换器用于生成用于电弧炉的电流。
43.根据本发明的实施例，在变压器与电弧炉之间测量用于控制电弧炉的电弧炉电压和电流测量结果，其中变压器适于将电网电压变换成要供应到电弧炉的电压。用于电弧炉控制的控制测量可以直接在电弧炉处执行。
44.根据本发明的实施例，用于确定瞬时闪变值的电网电压测量例如经由连接到电网的另外的单独的变压器而直接在电网处执行。电网电压测量可以与电弧炉电压和电流测量分开执行，例如直接在电网处，即在电弧炉的变压器的另一侧上。
45.参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其它方面将是明显的并且被阐明。
附图说明
46.将参考附图中示出的示例性实施例，在以下内容中更详细地解释本发明的主题。
47.图1示意性地示出了根据本发明的实施例的电弧炉系统。
48.图2示出了根据本发明的实施例的用于控制电弧炉的方法的流程图。
49.在附图中使用的附图标记及它们的含义以概述的形式在附图标记列表中列出。原则上，在附图中相同的部分被提供有相同的附图标记。
具体实施方式
50.图1示出了电弧炉系统10，该电弧炉系统10可以用于熔化废金属，并且该电弧炉系统10包括电弧炉12及其控制设备14。
51.电弧炉12包括容器16，容器16例如可以用冷却设备18冷却。此外，电弧炉12包括一个或多个电极20，电极20可以利用液压设备或电驱动22在容器16中移动。
52.用于加热容器16内部的电能(例如用于熔化废金属)由与转换器26互连的变压器24供应。变压器24由电网28供电。通常可以是，转换器26位于变压器24的初级侧上或次级侧上。
53.例如，转换器26可以是整流器，并且电弧炉12可以被视为dc电弧炉。还可以是转换器26为斩波器、降压转换器或其他ac到ac转换器。在后一种情况下，电弧炉12可以被视为ac
电弧炉。
54.电网中的电压可以是中压，诸如5kv到80kv。变压器24可将此电压变换为低压，例如300v到2000v。供应到电极20的电流可以在30ka到160ka之间。
55.控制设备14包括闪变模块30和电弧炉控制模块32。
56.电弧炉控制模块32适于例如通过控制液压设备22来控制电弧炉12，电极20可以利用液压设备22来移动。通过移动电极20，可以控制电弧的长度以及电阻，这导致对电弧炉12的电压和/或电流的控制。此外，炉控制模块32可以控制转换器26和/或冷却设备18。
57.电弧炉控制模块32可以包括若干子模块，诸如冷却控制模块、转换器控制模块、通信模块、系统监测模块、电极控制模块、电流控制模块等。
58.炉控制模块32接收来自电弧炉的电压和电流测量结果34以及来自闪变模块30的不同种类的闪变值36a、36b、36c，并且基于该信息来控制转换器26和液压设备22。此外，炉控制模块32利用控制信号38控制冷却设备18。
59.闪变模块30适于基于为电弧炉12供电的电网28中的闪变来确定不同种类的闪变值36a、36b、36c。电网28中的闪变可以基于电网中的负载变化，电网中的负载变化导致灯的亮度变化，并且因此导致可见的闪变。
60.通常，闪变模块30例如经由单独的变压器42从电网28接收电压测量结果40，并且基于这些测量结果40来确定闪变值36a、36b、36c。
61.瞬时闪变值36c基于在小于10秒的间隔中在电网28中的电压测量结果40。短期闪变值36a基于在10分钟的间隔中在电网28中的电压测量结果40。长期闪变值基于在2小时的间隔中在电网28中的电压测量结果40。闪变模块30从测量结果直接确定瞬时闪变值36c，并通过对瞬时闪变值36c进行平均来确定短期闪变值36a和长期闪变值。
62.电弧炉控制模块32适于基于闪变值36a、36b、36c中的至少一个闪变值以及基于进一步的电弧炉电流和电压测量结果34来控制电弧炉12。特别地，电弧炉控制模块32适于根据闪变值36a、36b、36c中的至少一个闪变值来控制供应到电弧炉12的功率。
63.电弧炉控制模块32和闪变模块30被集成到一个结构部件14(即控制设备)中。例如，模块30、32可以设置在相同的板上和/或相同的壳体中。电弧炉控制模块32和闪变模块30可以是在控制设备中可执行的软件模块。例如，电弧炉控制模块32和闪变模块30可以在一个可编程逻辑控制器中被实施。
64.换句话说，以闪变模块30和电弧炉控制模块32为形式的闪变计可以在同一计算设备14内被实施。以这样的方式，不需要额外的接口。瞬时闪变值36c可以替代地或附加地被用于短期闪变值36a和/或长期闪变值36b，作为用于电弧炉控制模块32的控制参数。在单独的闪变计与控制设备14之间不存在额外的通信延迟，这可以提高总体控制性能并减少到电网28的闪变生成。
65.图2示出了用于控制电弧炉12的方法的流程图，该方法可以由控制设备14执行。
66.在步骤s10中，控制设备14从电网28接收电网电压测量结果40，并将这些测量结果数字化，这些测量结果被供应到闪变模块30。电网电压测量结果40可以直接在电网28处被执行。
67.在步骤s12中，闪变模块30根据电网电压测量结果40确定瞬时闪变值36c。例如，闪变模块30可以基于将电压变化与标准曲线进行比较来确定由电网中的电压变化引起的闪
变。备选地或附加地，闪变模块30可以确定电网28中的负载和电压改变，并且可以如在标准iec 61000-4-15中描述的那样评估这些值。
68.根据瞬时闪变值36c，闪变模块通过对瞬时闪变值36c进行平均来确定短期闪变值36a和长期闪变值36b。
69.在步骤s14中，控制设备14接收来自电弧炉12的电压和电流测量结果34，并且将这些测量结果数字化，这些测量结果被供应到电弧炉控制模块30。用于控制电弧炉12的电弧炉电压和电流测量结果34可以在变压器24或转换器26与电弧炉12之间被测量。
70.在步骤s16中，电弧炉控制模块32基于电压和/或电流测量结果34、瞬时闪变值36c和/或可选地基于短期闪变值36a和/或长期闪变值36b来控制电弧炉。特别地，可以根据瞬时闪变值36c来控制供应到电弧炉12的电功率。如上面已经描述的，当瞬时闪变值36c较低(例如，低于阈值)时，这表示电弧炉的连续操作，并且可以增加供应到电弧炉的功率。另一方面，当瞬时闪变值36c高于阈值时，供应到电弧炉12的电功率可以减小。
71.已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，应认为这种说明和描述是说明性或示例性而非约束性的；本发明并不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和附加的权利要求，本领域技术人员可以理解和实现所公开实施例的其它变化以及实践所要求保护的发明。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它的元件或步骤，而且不定冠词“一”或“一个”不排除为多个。单个的处理器或控制器或其它单元可以执行权利要求书中所阐述的几个项目的功能。仅凭在彼此不同的从属权利要求中叙述了某些措施这一事实，并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何附图标记都不应当被解释为对范围进行限制。
72.附图标记列表
73.10 电弧炉系统
74.12 电弧炉
75.14 控制设备
76.16 容器
77.18 冷却设备
78.20 电极
79.22 液压设备或电驱动
80.24 变压器
81.26 转换器
82.28 电网
83.30 闪变模块
84.32 电弧炉控制模块
85.34 电流/电压测量结果
86.36a短期闪变值
87.36b长期闪变值
88.36c瞬时闪变值
89.38 控制信号
90.40 电压测量结果
91.42 变压器