DE2334080A1

DE2334080A1 - Schaltungsanordnung fuer die speisung von elektroden-schmelzoefen

Info

Publication number: DE2334080A1
Application number: DE19732334080
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Buerkle; Wolfgang Dipl Ing Timpe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-07-04
Filing date: 1973-07-04
Publication date: 1975-01-23
Also published as: FR2241913A1; IT1015609B; DE2334080B2; NL7407379A; JPS5038145A; ATA487474A; FR2241913B1; AT326376B

Description

Schaltungsanordnung für die Speisung von Elektroden-Schmelzöfen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Speisen von Elektroden-Schmelzöfen, insbesondere zum Elektroschlackenumschmelzen von Metallen, aus dem Ein- oder Mehrphasennetz der örtlichen Stromversorgung.

Schmelzöfen dieser Art für die Metallveredelung und Maßnahmen für deren Speisung sind aus der deutschen Auslegeschrift 1 917 494 bekannt, wo angeregt ist, die Ofenspeisung zur Erzielung optimaler metallurgischer Eigenschaften des- zu erschmelzenden Metallgutes mit einer gegenüber der Netzfrequenz wesentlich kleineren Frequenz zwischen etwa 5 und 10 Hz vermittels eines steuerbaren Wechselrichters mit veränderbarer Frequenz und Stromflußzeit durchzuführen.

Die Erfindung geht von einer zwischen Netz und Ofenanlage vorgesehenen Umrichteranordnung aus, bei der die Stromflußzeiten und die Stromform der positiven und negativen Halbwelle des dem Stromrichter entnehmbaren Speisestroms für den Ofen den metallurgischen Forderungen einerseits sowie die Pausenzeiten zwischen den beiden Halbwellen den Eigenheiten (Schonzeiten) der dem Stromrichter zugeordneten Thyristorgruppen andererseits optimal angepaßt werden sollen. Die Erfindung befaßt sich mit dem bei Elektroden-Schmelzofenspeisungen häufig auftretenden Problem, den Anfahrbetrieb zu erleichtern und einen Überlastungsschutz für die wertvollen Thyristoren selbst dann zu gewährleisten, wenn bei einer vorgesehenen Stromregelung mit vorgegebenem Stromsollwert und damit verglichenem Stromistwert des Ofens

409884/0738

ORIGINAL INSPECTED

YPA 73/3161

ein "Hochlaufen" der Stromreglerausgangsspannung etwa bei aus der Schmelze austauschender Elektrode oder bei der für die Einhaltung der Schonzeit der Thyristoren erforderlichen Strompause eintritt.

Die ideale Stromkurve für den Stromrichterbetrieb eines Elektroden-Schmelzofens würde bei einem kontinuierlich, d.h. sprungfrei, einstellbaren Frequenzbereich zwichen etwa 3 Hz und 10 Hz ungefähr der Rechteckform für jede Halbwelle entsprechen, jedoch bei kreisstromfreien Schaltungen jeweils mit einer wegen der Schonzeit der Stromrichterthyristoren notwendigen Strompause zwischen diesen Halbwellen, welche mindestens der Freiwerdezeit der Thyristoren entsprechen, sicherheitshalber jedoch etwas größer als diese bemessen sein sollte. Die nicht vernachlässigbaren Zuleitungsinduktivitäten zu den Ofenanschlüssen einerseits und das PI-Yerhalten des zur Beeinflussung des dem Stromrichter vorgeschalteten Steuersatzes vorgesehenen Stromreglers andererseits, dem der in weiten Grenzen vorgebbare Stromsollwert und der Stromistwert eingegeben werden, bedingen eine von der Rechteckform abweichende Stromkurve mit nichtlinearem Anstieg und Abfall in jeder Halbwelle. Das Bemühen, die Anfangssteilheit nach dem jeweiligen Null- oder Pausenwert zu erhöhen, bereitet jedoch Schwierigkeiten, weil ein "Überschießen" über den Stromsollwert unter allen Umständen in jeder Halbwelle vermieden werden muß. Eine Versteilerung der Abstiegsflanke der Halbwellenstromkurve ist erwünscht und anzustreben und durch Einwirken der für den Stromrichterbetrieb vorgesehenen tak'tgebergesteuerten und auf den Steuersatz des Stromrichters einwirkenden, entsprechend ausgestalteten Kommandostufe auch möglich. Demgemäß besteht die Erfindung bei einer Schaltungsanordnung für aus dem Netz vermittels einer aus Steuersatz und vorgeschaltetem, vom Stromsollwert und Stromistwert beeinflußten Stromregler bestehenden Stromrichteranordnung gespeiste Elektroden-Schmelzöfen, insbesondere zum Elektroschlackenum-

409884/0738

— 3 —

VPA 73/3161

Ti 1

schmelzen von Metallen, darin, daß der als PI-Regler ausgebildete Stromregler zusätzlich durch eine Steuergröße beeinflußbar ist, die in Abhängigkeit von periodischen oder aperiodischen, den SchmelzVorgang im Ofen beeinträchtigenden betriebs- oder störungsbedingten Zuständen fur deren Dauer die Stromregelung durch eine Spannungssteuerung ersetzt, welche die den Steuersatz des Stromrichters ansteuernde Spannung auf einen einstellbaren Wert nach oben begrenzt.

Die besonderen Regel-, Steuer- und Schutzmaßnahmen werden somit im wesentlichen durch Einwirken auf den Stromregler erzielt und können je nach Bedarfsfall einzeln oder gemeinsam angewendet werden. Ausführungsbeispiele hierfür werden anhand von 2 Figuren näher erläutert.

In der Fig. 1 ist der Elektrodenschmelzofen 0 schematisch durch den Tiegel T, die Schlackenfüllung Sch und die Eintauchelektrode E symbolisiert. Elektrode E und Tiegel T sind an den Ausgang des Stromrichters SR angeschlossen, der primärseitig aus dem Drehstromnetz gespeist und in üblicher Weise über einen Steuersatz St von einem als PI-Regler ausgebildeten Stromregler IR beeinflußt und zur Abgabe eines Ofenspeisewechselstroms von 0 bis z.B. 10 Hz besonderer Halbwellenform veranlaßt wird, die meist aus einem gekrümmten Anstiegsteil, einem annähernd horizontal verlaufenden Mittelteil und einem gekrümmten Abstiegsteil besteht. Zwischen jeder dieser abwechselnd positiven und negativen Halbwellen liegt eine stromflußfreie Pausenzeit, die mindestens gleich oder größer gehalten ist als die Freiwerdezeit der im Stromrichter SR vorgesehenen Thyristoren. Den Eingängen des Stromreglers IR wird der veränderbare Stromsollwert i _otj_ und der aus dem dem Ofenspeisekreis zugeordneten Stromwandler W entnommene Stromistwert ijo-fc eingegeben. Eine hier nicht näher veran-

409884/0738 " ⁴ ~

ORIGINAL INSPECTED

VPA 73/3161

schaulichte taktgebergesteuerte Kommandostufe bestimmt im Eingriff mit dem Stromregler und dem Steuersatz die HaIbwellenfolge, Kurvenform und Frequenz des am Ausgang des Stromrichters SR abgegebenen Ofenspeisewechselstroms, während der Effektivwert dieses Wechselstroms vom Stromregler IR aufgrund des vorgebbaren Stromsollwerts "i -, im Vergleich mit dem Stromistwert i.

.. . vorgegeben wird.

Da der Stromregler IR ein durch ein Serien-RC-Glied überbrückter Verstärker ist, hat er Pl-Verhalten, d.h. seine dem Steuersatz St zugeführte Ausgangsspannung u , kann bis auf einen Maximalwert ansteigen, wenn und solange der Istwert i. . kleiner als der Sollwert i _ol-i ist. Der Stromistwert wird demnach dem vorgegebenen Stromsollwert ständig nachgeführt.

Beim Betrieb eines Elektroden-Schmelzofens können nun, besonders beim Anfahren, aber auch während des Schmelzvorganges, betriebliche oder störungsbedingte Zustände auftreten, die kurzzeitig den Stromdurchgang zwischen Elektrode, Schmelze und Tiegel unterbrechen, z.B., wenn die Elektrode aus dem Schmelzbad austaucht. Bei einer solchen Stromunterbrechung fehlt für deren Dauer der Stromistwert i. . am Eingang des Stromreglers IR und der Regelkreis ist nicht mehr geschlossen. Als Folge hiervon wächst wegen dessen Pl-Verhalten die Steuerspannung u . am Ausgang des Stromreglers IR auf ihren Maximalwert und damit auch die Ausgangsspannung u*_d am Stromrichter ausgang. Beim Wiedereintauchen der Elektrode E in die Schmelze Sch ergeben sich in einem solchen Falle nicht tragbare Überströme, welche den elektrischen Teil der Ofenanlage 0 und auch das Schmelzgut gefährden können.

- 5 409884/0738

ORiGIMAL INSPECTS

VPA 73/3161 - 5 - £ 3t W-ff*

Ähnliche Verhältnisse können sich beim Anfahren des Ofens ergeben: Trotz hoher Elektrodenspannung fließt möglicherweise nur ein relativ kleiner Strom wegen des sich eventuell einstellenden hohen Ubergangswiderstandes. Bei plötzlichem "Durchbruch" aber wurden sich momentan viel zu hohe Ströme ergeben. Deshalb sieht die Erfindung vor, in den Stromregler eine Zusatzsteuergröße einzugeben, die die Stromregelung durch eine Spannungssteuerung ersetzt. Das "Hochregeln" soll dadurch unterbunden und die Ausgangsspannung u des Reglers IR auf einem Wert gehalten werden, der nur einen Ofenstrom von z.B. 1/10 bis 1/2 des Nennstromes bewirkt. Zur Durchführung dieser Schutzmaßnahme ist - wie die Pig. 1 zei gt - ein den Istwert überwachender Grenzwertmelder GrM vorgesehen, der beim Über- und Unterschreiten eines durch das Potentiometer R„ festlegbaren Grenzwerts für den Stromistwert jeweils ein Signal verausgabt und über(eine Zeitkippstufe Z und)einen elektronischen Schalter S den Regler IR im Sinne einer Ausgangsspannungsbegrenzung beeinflußt.

Sobald der Stromistwert i_is4. den am Grenzwertmelder GM durch RG einstellbaren Wert i unterschreitet, sprechen der Grenzwertmelder GM sowie eine gegebenenfalls nachgeschaltete Zeitstufe Z an. Nach Ablauf einer an dieser einstellbaren Wartezeit wird von der Zeitstufe Z der Schalter S angesteuert, welcher den Maximalwert der Ausgangssteuerspannung u . nach oben begrenzt. Dieser Eingriff wird aufgehoben, sobald der Istwert den eingestellten Grenzwert i wieder überschreitet: der Grenzwertmelder schaltet

g
dann zurück, wobei der Schalter S wieder geöffnet wird.

Damit wird anstelle der Spannungssteuerung des Reglers IR wieder die Stromregelung wirksam. Die vorgesehene Zeitstufe zwischen dem Grenzwertmelder GM und dem Schalter S verhindert bei sehr kurzzeitig unterschwelligem Istwert ein dauerndes Hin- und Herschalten. Der Eingriff in den

- 6 409884/0738

ORIGINAL INSPECTED

VPA 73/^161 -6- £73 W Λ'C

Regler IR kann durch Abziehen der Ladung des Rückfüfarkonden-' sators C mit der durch den Widerstand Rb bestimmten Zeitkonstante über den durchgesteuerten Schalttransistor FET bewirkt werden (Fig. 1a) oder durch Vorgabe einer Vorspannung mit dem Widerstand R„ an den Begrenzungseingang des Verstärkers V vermittels des Schatttransistors FET im Schalter S (Fig. 1b). Als Schalter S ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor FET vorzusehen.

Eine Unterbrechung des den Ofen durchfließenden Stromes ist nicht nur beim Austauchen der Elektrode aus der Schmelze oder beim Anfahren möglich, sondern auch immer jeweils dann gegeben, wenn der Speisewechselstrom, der dem Stromrichter oR entnommen wird, durch Null geht, da wegen der Verwendung der im Stromrichter SR vorgesehenen Thyristoren beim Stromnulldurchgang eine Schonzeit eingehalten werden muß, die

sein, mindestens gleich der Freiwerdezeit/besser etwas länger anhalten,soll. Oa diese Strompause nicht klein gegen die jeweilige Halbwellenzeit ist, müssen Vorkehrungen getroffen werden, die ein "Hochlaufen" des im Stromregler IR enthaltenen, durch das Serien-RC-Glied rückgekoppelten Verstärkers während dieser Pausenzeit verhindern, in welcher der Stromistwert Null ist. Andernfalls würde aufgrund der Stromregelung mit Beginn der folgenden Halbwelle die Elektrodenspannung und damit der Ofenstrom zu hoch werden, was Nachteile für die Charge nach sich ziehen oder sogar Überstromsicherungen zum Auslösen bringen könnte, womit bei dauerndem Stromausfall die Charge als verloren zu betrachten wäre.

Das geschilderte Betriebsverhalten könnte also bei Stromrichterbetrieb zu einer nicht tragbaren Betriebsstörung führen. Um dem entgegenzuwirken ist schon kurz vor oder zu Beginn und während der Strompausen eine Entladung (Kurzschluß) des in der Verstärkerrückführung des Strom-

409884/0738

VPA 73/3161

reglers IR gelegenen Kondensators C anzustreben, was zur Folge hat, dab die Rückflanke jeder Stromhalbwelle in vorteilhafter Weise sehr steil abfällt, daß zum Nullwert des Halbwellenstromes infolge solcher Spannungssteuerung kein "Hochlaufen" des Verstärkers mehr möglich ist und daß die Wiederaufladung des Kondensators zu Beginn der nächsten Halbwelle vom Nullspannungswert dieses Kondensators aus erfolgt, sobald der Kurzschluß des Kondensators wieder aufgehoben und damit die Stromregelung wieder im Eingriff ist. Diese Schalt- und Steuermaßnahme kann durch die sowieso vorhandene Kommandostufe mitübernommen bzw. eingeleitet werden, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist.

Die Kommandostufe K ist - wie bei solchen Anlagen empfehlenswert-von einem Taktgeber TG- gesteuert, dessen Taktfrequenz von O bis 10 Hz, z.B. durch ein Potential am Frequenzwähler FW, einstellbar ist. Ein Ausgang der Kommandostufe K beeinflußt den Steuersatz St des Stromrichters SR und gibt diesem direkt oder - wie dargestellt - über einen Impulsverstärker IV vermittels der Steuerleitungen pH und nH vor, ob und wann die jeweilige Thyristorgruppe zur Bildung der positiven bzw. der negativen Halbwelle des Stromrichters SR angesteuert werden soll und zu welchen Zeitpunkten die Strompause zwischen jeweils zwei Halbwellen sowie deren Dauer festzulegen ist.

Da die Ausgangsleitungen pH (positive Halbwelle) und nH (negative Halbwelle) jeweils nur abwechselnd Steuersignalspannung führen dürfen und überdies während der Dauer der Strompausen beide keine Signalspannung abgeben, ist das Steuerkriterium für die Umschaltung des Stromreglers IR auf Spannungssteuerung somit jeweils dann gegeben, wenn die Signalspannung an einer der beiden Leitungen verschwindet. Dieser Zustand wird - wie veranschaulicht - durch

409884/0738 " ⁸ "

VPA 73/3161

eine Grenzwertmelde- und/oder NAND-Gatteranordnung G überwacht, die dann und nur dann ein Signal zu einem Schalter S verausgabt, wenn auf einer der beiden Leitungen pH oder nH das Ausgangssignal verschwindet. Währenddessen ist mit Sicherheit aufgrund der vorerwähnten- Voraussetzungen die andere Leitung signalfrei. Durch das Ansprechen des Schalters S wird - wie aus der Nebenfigur 2a ersichtlich der Kondensator C in der Rückführung des Verstärkers V des Stromreglers IR kurzgeschlossen. Dieser Kurzschluß wird erst dann wieder aufgehoben, wenn nach Abschluß der Strompause zwecks Bildung der nächsten Halbwelle wieder Steuersignal an der jeweils anderen der beiden Ausgangsleitungen pH, nH der Kommandostufe K erscheint. Der Schalter S sollte, wie auch in Pig. 2a angedeutet, als Feldeffekttransistor PET ausgebildet sein, da die Schaltstrecke dieses Transistortyps in durchgesteuertem Zustand besonders niederohmig, schwellspannungsfrei und nicht stromrichtungsabhängig ist.

Die übrigen Bausteine der Pig. 2 entsprechen in Aufbau und Schaltung denen der Fig. 1, wobei der Schmelzofen 0 in der Fig. 2 lediglich durch die induktive Last L und die ohmsche Last R symbolisiert ist.

9 Patentansprüche
2 Figuren

409884/0738

Claims

-3, Juli 1973 VPA - 9 Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung für aus dem Netz vermittels einer aus Steuersatz und vorgeschalteten, vom Stromsollwert und Stromistwert beeinflußten Stromregler bestehenden Stromrichteranordnung gespeiste Elektroden-Schmelzöfen, insbesondere zum Elektro-Schlackenumschmelzen von Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß der als PI-Regler ausgebildete Stromregler (IR) zusätzlich durch eine Steuergröße beeinflußbar ist, die in Abhängigkeit von periodischen oder aperiodischen, den Schmelzvorgang im Ofen beeinträchtigenden betriebs- oder störungsbedingten Zuständen für deren Dauer die Stromregelung durch eine Spannungssteuerung ersetzt, welche die den Steuersatz (St) des Stromrichters (SR) ansteuernde Spannung (u .) auf einen einstellbaren Wert nach oben begrenzt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertgröße des Ofenstroms durch eine Meβvorrichtung (GM) überwacht wird, die bei Schwankungen des Istwerts eine Schaltmaßnahme im Stromregler (IR) auslöst.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert vermittels eines Grenzwertmelders (GM) mit einer Referenzspannung verglichen wird und daß bei unterschwelligem Istwert vom Grenzwertmelder, gegebenenfalls über ein Zeitglied (Z), ein Schalter (S) angesteuert wird, der die Stromregelung des Stromreglers (IR) in eine Spannungssteuerung überführt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße über einen Schalter (S) Stromkreise im Stromregler (IR) beeinflußt.

- 10 -409884/0738

ORIGINAL INSPECTED

VPA 73/3161 - 10 -

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daü die Steuergröße Bauelemente (C) in der Rückführung des Stromreglers (IR) beeinflußt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S) ein Feldeffekttransistor (FET) ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die betriebsmäßigen periodischen Istwertabsenkungen während der Strompausen durch eine Auswertvorrichtung (G,S) überwacht werden, die vor_;zu Beginn und während der Strompause den in der Rückführung des Stromreglers (IR) vorgesehenen Kondensator (C) überbrückt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschluß des Rückführkondensators (C) durch einen Schalter (S) erfolgt, der vom Ausgangssignal einer Signalspannungen für die Stromrichtungssteuerung auswertenden Gatteranordnung (G) gesteuert wird.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gatter (G) ein NAND-Gatter ist, dessen Eingänge an die die Halbwellenpolarität des Ausgangsstroms bestimmende»Ausgangsleitungen (pH, nH) einer Kommandostufe (K) angeschlossen sind, die in Abhängigkeit von einem Taktgeber (TG) Frequenz, Stromform, Halbwellenpolarität und -dauer, sowie die Pausendauer zwischen den Halbwellen des Ofenspeiseströms bestimmt und den Steuersatz (St) sowie gegebenenfalls einen zwischen Steuersatz und Stromrichter (SR) eingefügten Impulsverstärker (JV) beeinflußt.

409884/0738