Brevet FR2462079A1 — publié le 19810206

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de régulation d'arc sur four électrique à arc. On sait que la conduite optimale des processus de fusion et d'affinage dans les fours à arc nécessite un con- trôle précis et rapide de l'arc. En effet, une bonne stabilité de l'arc est un fac- teur important pour une bonne utilisation de la puissance installée, pour une limitation des perturbations du réseau électrique d'alimentation ainsi que pour une diminution de l'usure des électrodes. En période de fusion, on doit alimenter l'arc à pleine puissance avec un bon rendement et rétablir très ra- pidement l'arc après un désamorçage ou un court-circuit dû à un déplacement très rapide. En période d'affinage, on doit éviter la pénétration de l'électrode dans le bain pour ne pas provoquer une éven- tuelle carburation et donc disposer d'une régulation précise. Enfin, en période transitoire, c'est-à-dire en pha- se mixte solide-liquide, on se trouve confronté simultané- ment aux contraintes précédentes. Jusqu'à présent le réglage de l'arc consistait en un réglage de son impédance ou éventuellement de sa puissan- ce (mesurées à partir de sa tension et de son intensité) au moyen du déplacement de l'électrode ou de chacune des élec- trodes ce qui autorise de grandes variations des paramètres de réglage. Un inconvénient majeur des dispositifs convention- nels utilisant cette méthode est qu'ils mettent en oeuvre un appareillage combiné pneumatique, hydraulique, mécanique ouélec- trique à constantes de temps et jeux non négligeables. Dans ces conditions, on doit pour la régulation d'arc accepter un compromis entre les performances de rapidité et de précision tant en période de fusidn qu'en période d'affinage. Par ailleurs, on améliore la stabilité de l'arc en acceptant des impédances de ligne assez fortes qui détério- rent le facteur de puissance de l'installation et donc son rendement en raison des pertes en ligne supplémentaires qui en résultent. La position de l'arc est essentiellement variable en fonction: - de la d1saosition des ferrailles avant ou pendant la fusion; - du niveau du métal liquide après la fusion - de l'usure des électrodes. Un positionnement en hauteur des électrodes, à lar- ge gamme de réglage, est donc toujours indispensable. Une caractéristique de la présente invention est qu'elle associe à une régulation de position des électro- des une régulation intervenant directement sur l'alimenta- tion de l'arc pour assurer les performances de précision et de rapidité, et donc, uniquement sur des grandeurs électri- ques permettant ainsi aisément de satisfaire aux différentes contraintes. La grandeur de commande est la tension de l'arc. On la fait varier au moyen de dispositifs de commande, ou con- vertisseurs,à thyristors placés dans l'alimentation, au pri- maire ou au secondaire du transformateur. Un avantage supplémentaire du procédé est qu'il est possible de faire jouer au convertisseur à thyristors, outre son rôle normal de réglage, la fonction d'interrupteur sta- tique rapide, pouvant être utilisé avantageusement en cas de court-circuit ou pour des raisons de sécurité, par exemple. Un autre avantage important du procédé est d'auto- riser une réduction des impédances de ligne. Dans le cas d'un four alimenté en tension alterna- tive à fréquence industrielle (50 ou 60 Hz par exemple) le convertisseur à thyristors est de préférence monté en gradateur, c'est-à-dire de manière à transformer une ten- sion alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative de valeur efficace continûment variable. Il est monté au primaire ou au secondaire du transformateur d'ali- mentation. La méthode la plus utilisée pour faire varier la tension est d'amputer les ondes de tension en retardant la conduction après l'instant d'amorçage naturel c'est-à-dire en réglant la valeur de l'angle de retard d'amorçage du thyristor. Cette méthode est tout à fait analogue à celle pratiquée depuis longtemps pour la régulation de chauffage des fours à résistances. L'alimentation de fours à arc en courant continu est une techniaue d'applIcation relativement nouvelle qui présente de grands avantages et avec laquelle la présente iinvention peut facilement être associée et présente-un intérêt opti- mal. Deux modes de réalisation peuvent alors être envi- sagés. Dans le premier la tension est redressée par un re- dresseur à diodes placé au secondaire du transformateur, tandis qu'elle varie par conduction retardée de thyristors placés au primaire en montage gradateur. Dans le second cas le convertisseur.à thyristors est monté dans le secondaire du transformateur et assure simultanément le redressement de la tension et sa variation par conduction retardée. Une caractéristique importante et originale du pro- cédé, objet de la présente inventionrésulte de la combinai- son. - d'une régulation directe rapide de l'arc par l'a- limentation; - d'une régulation indirecte par le déplacement des électrodes lente en régime continu. Ceci permet notamment la conjugaison d'une régulation de l'arc performante donc garantissant une grande stabilité et donc un bon rendement, des économies d'énergie et réduisant les perturbations du réseau d'alimentation, et d'un position- nement d 'électrodes pouvant être nettement moins sollicité en ré- gime de marche normaledonc augmentant la stabilité de l'équipage porteur des électrodes mobiles. La régulation par la tension d'alimentation peut mettre en oeuvre plusieurs principes de réglage dont les plus intéressants sont respectivement une régulation d'im- pédance de l'arc ou une régulation de puissance, les deux principes pcurvant également tre associés dans unr m&me disposi-if. Le décplacement des électrodes utilise le même principe de régulation en régime continu mais avec un aain- plus faible --cie une zone morte en deca d un certain écart entre la grandeur de con- signe et la grandeur mesurée et une réponse dynamique beaucoup plus lente. Plus simplement, elle peut âtre réduite a une réaulaticn de tension. En cas dfaffalage des ferrailles, on peut naturellement ordonner uh déplacement très rapide des électrodes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente de façon schématique un dispositif selon l'invention associant une régulation de po- sition des électrodes et une régulation de la tension d'a- limentation de l'arc; - la figure 2 représente de façon schématique un exemple d'application de l'invention à un four à arc alimen- té en courant alternatif triphasé; - - la figure 3 représente un autre exemple d'applica- tion de l'invention à un four à arc alimenté en courant al- ternatif triphasé; - la figure 4 est une représentation schématique d'un exemple d'application de l'invention à un four à cou- rant continu à une électrode, et - la figure 5 représente un autre exemple d'appli- cation de l'invention à un four à courant continu à une électrode. La figure 1 représente schématiquement un disposi- tif de mise en oeuvre du procédé selon la présente inven- tion, associant une régulation de position d'électrodes et une régulation de l'alimentation de l'arc. Sur la figure on a représenté un four 1 ne comportant qu'une seule élec- trode 3. Mais il est bien entendu que la même régulation peut être appliquée à un four à plusieurs électrodes. De même on a représenté l'alimentation de l'électrode de façon tout à fait schématique, les principes de réalisation décrits en référence à la figure 1 étant applicables aussi bien à un four alimenté en courant alternatif cu'à un four alimenté en courant continu. Comme représenté sur la figure une première régula- tion consiste à régler la position de l'électrode 3 dans le four 1 dans lequel se trouve un bain de métal en fusion 2. Pour cela l'électrode 3 est supportéede façon connue par une potence mobile 4 pouvant être déplacée au moyen d'un organe de positionnement 5 qui peut être indifféremment constitué par des moyens mécaniques, électriques, hydrau- liques, ou par une combinaison de ces différents types de moyens. Un signal représentatif de la tension d'arc Vm est obtenu de façon connue par un capteur 6 relié à un point prédéterminé du conducteur d'alimentation de l'électrode 3. On pourra tenir compte des chutes de tension entre ce point de mesure et l'arc pour obtenir un signal qui soit l'image exacte de la tension de l'arc lui-même. Ce signal Vm est appliqué à une première entrée d'un mélangeur 7 dont la seconde entrée reçoit un signal de tension de référence Vr fourni par tout dispositif appro- prié, et par exemple par un potentiomètre 8 disposé entre la masse et une tension d'alimentation continue U. Il va de soi que la valeur de Vr doit être choisie en fonction des conditions d'exploitation et peut être aussi bien imposée par un opérateur que par un automate de conduite automati- que du processus. Le mélangeur 7 produit un signal L V représentant l'écart entre la tension d'arc mesuré Vm et la tension de référence Vr. Ce signal d'écart AV est appliqué à un régula- teur 9, constitué par un amplificateur muni de réseaux cor- recteurs appropriés, qui l'amplifie de manière à produire un signal de référence de position Hr. Ce dernier est ap- pliqué à une première entrée d'un mélangeur 10 dont l'autre entrée reçoit un signal de mesure Hm représentatif de la position de l'électrode 3. Ce signal de position Hm est pro- duit par un détecteur de position il de tout type connu. Le signal AH d'écart de position produit en sortie du mélangeur 10 est appliqué à un régulateur de position 12 dont la sortie est reliée à un amplificateur de puissance 13. On obitent ainsi à la sortie de celui-ci un signal CE de commande de l'organe de positionnement 5. Ainsi cette première boucle de régulation permet de positionner l'électrode 3 du four à arc en tenant comp- te de la tension d'arc mesurée, de la position de l'élec- trode, et d'une tension d'arc de référence. Selon la présente invention, à cette régulation par déplacement de l'électrode est associée une régulation électrique directe de la tension d'alimentation. On utilise pour cela un ensemble à thyristors 14, représenté de façon très schématique sur la figure 1. La disposition exacte de cet ensemble dépend de plusieurs fac- teurs, et notamment du type de four, du nombre d'électrodes, du type d'alimentation, et d'autres critères comme, par exemple, des critères de coût de réalisation. Divers exem- ples de réalisation seront décrits par la suite en regard des autres figures annexées. Comme représenté sur la figure 1, les gâchettes des thyristors sont commandées par des signaux CT de manière à faire varier la tension appliquée à l'électrode. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1 on a associé une régulation primaire, constituée par une régulation d'im- pédance or par une régulation de puissance, avec une régula- tion secondaire constituée par une régulation de courant. Cette boucle secondaire de régulation, qui permet une limi- tation de courant, est un facteur de stabilité de l'asser- vissement. Par ailleurs, il est aussi possible d'utiliser dans certaines conditions de fonctionnement une simple ré- gulation de courant. Comme représenté, un capteur 15, placé de toute fa- çon convenable dans le circuit d'alimentation, mesure l'in- tensité réelle du courant d'arc Im. Ce signal d'intensité du courant Im est appliqué à une première entrée d'un mélangeur 16 dont l'autre entrée reçoit un signal de référence de courant d'arc Ir élaboré de préférence par un régulateur primaire qui sera décrit par la suite. L'écartLI entre les courants mesuré Im et de référence Ir est amplifié par un régulateur de courant 17 dont la sortie est appliquée à un circuit de commande 18. Ce circuit 18 élabore des impulsions qui sont retardées en fonction de la valeur du signal continu qui lui est ap- pliqué en entrée, de manière à fournir à chaque thyristor de l'ensemble 14 des impulsions de commande CT déterminant l'instant d'amorçage du thyristor pendant sa période de conduction. La régulation primaire peut être une régulation d'impédance ou une régulation de puissance. Dans le premier cas, un signal Zr de référence d'im- pédance d'arc, fourni par exemple par un potentiomètre 19 disposé entre la tension d'alimentation U et la masse, est comparé dans un mélangeur 20 à l'impédance mesurée Zm. L'écartA Z entre les signaux mesuré et de référence repré- sentatifs de l'impédance est amplifié par un régulateur 21 qui produit en sortie un signal servant de signal de réfé- rence de courant d'arc Ir. Le signal Zm représentatif de l'impédance mesurée est fourni par un circuit 22 qui, de manière connue fait le rapport entre la tension mesurée Vm et l'intensité du courant mesurée Im. Dans le cas o l'on désire réaliser une régulation de puissance d'arc, un signal Pm de puissance mesurée est produit par un circuit 23 qui effectue le produit entre la tension d'arc mesurée Vm et l'intensité du courant d'arc mesurée Im. Ce signal Pm est appliqué à une entrée d'un mélangeur 24 dont l'autre entrée reçoit un signal de réfé- rence de puisance Pr fourni par exemple par un potentio- mètre 25 disposé entre la masse et la tension d'alimentation U. Le signal d'écart de puissanceL P produit par le mélan- geur 24 est amplifié par un régulateur 26. Les sorties des régulateurs 21 et 26 sont respectivement reliées à des bornes d'entrée 27.1 et 27.2 d'un commutateur 27 dont la borne de sortie 27.3 est reliée au mélangeur 16 de manière à lui appliquer le signal de référence de courant Ir. En fonction de la position du commutateur 27, le dispositif utilise une régulation d'impédance ou de puis- sance. Le choix entre ces deux régulations s'effectue en fonction des conditions d'exploitation. L'actionnement du commutateur 27 peut être automa-- tique. Dans ce cas il peut être commandé par un automate de conduite du processus ou par des détecteurs de seuil per- mettant de maintenir simultanément l'impédance et la puis- sance à l'intérieur de plages prédéterminées. Le dispositif décrit de façon schématique en regard de la figure 1 a essen- tiellement pour but de bien illustrer une des caractéristi- ques essentielles de l'invention, à savoir l'association d'une régulation de position des électrodes et d'une régulation de l'alimentation. Il va de soi que les diverses régulations peuvent, dans leur réalisation, faire l'objet de multiples variantes. Lorsque le four comporte plusieurs électrodes on utilise de préférence un dispositif de régulation, tel que décrit en regard de la figure 1, pour chaque électrode. Les figures 2 à 5 sont des représentations schéma- tiques d'exemples décrits à seule fin d'illustrer la possi- bilité d'application du procédé selon l'invention en se servant de moyens bien connus utilisés couramment pour d'au- tres applications, par exemple en liaison avec les fours à résistances ou les moteurs à vitesse variable. La figure 2 représente un mode de réalisation de l'invention appliqué à un four à arc 1 à trois électrodes 3 et à alimentation triphasée. Chaque électrode est positionnée par un organe 5 commandé par un amplificateur de puissance 13 dont un seul est représenté. Le four est alimenté par un transformateur 28 pro- tégé par un disjoncteur 29. Sur l'exemple représenté, ce transformateur est muni, au primaire, d'un commutateur à plots destiné à faire varier la tension en fonction des conditions d'exploitation. Il est bien évident que la présence d'ensembles à thyristors 14 utilisés pour la régulation de la tension conformément à l'invention peut, dans certains cas, permet- tre la suppression du commutateur a olots. Dans le mode de réalisation représenté un ensemble 14 à thyristors est monté sur chaque phase, entre le secon- daire du transformateur unique 28 et les électrodes 3. Chaque ensemble 14 comporte deux thyristors montés en gradateur, c'est-àdire tête-bêche (en parallèle et en opposition). Chaque ensemble 14 est commandé par un circuit de commande 18, dont un seul est représenté. Chaque thyris- tor d'une paire reçoit du circuit 18 des impulsions de commande appropriés, l'un pendant l'alternance de tension positive et l'autre pendant l'alternance de tension négative. Sur la figure 2 les capteurs 15 destinés à fournir au circuit de régulation les valeurs des courants mIil lmui et I m3 appliqués à chacune des électrodes sont respectivement constitués par des transformateurs d'intensité TI1, TI2 et TI3 et leurs résistances de charge respective R4, R5 et R6, disposés sur chacune des phases du circuit d'alimentation. On a de même représenté les capteurs 6 destinés à produire les tensions Vml, Vm2 et Vm3 sur chacune des phases sous la forme de résistances Ri, R2 et R3. On n'a pas représenté sur la figure les boucles de régulation qui sont identiques à celle représentée sur la figure 1. Comme la figure 2, la figure 3 représente un mode de réalisation de l'invention appliqué à un four à arc à trois électrodes alimenté en courant continu. Dans ce mode de réalisation, on cherche à rendre plus optimale l'utilisation des thyristors en les utilisant dans des gammes de tension qui leur sont le mieux adaptées. Ainsi, notamment lorsque la tension d'arc doit être rela- tivement basse, on utilise un transformateur auxiliaire 30 disposé entre les ensembles 14 à thyristors et les électro- des 3. Les thyristors se trouvent alors placés au secon- daire du transformateur d'alimentation 28 et au primaire du transformateur auxiliaire 20 d'adaptation de tension. Les mesures de courant d'arc Im et de tension d'arc Vm se font entre le secondaire du transformateur auxiliaire et les électrodes. On peut, comme représenté, faire une mesure des courants I m4, I m5 et I m6 traversant les ensembles à thyristors 14, à l'aide de transformateurs d'intensité TI4, TI5 et TI6 et des résistances R7, R8 et R9 qui leur sont associées. Dans ce cas tandis que l'un des organes de mesure des courants sert à la régulation, l'autre or- gane de mesure des courants peut être utilisé pour la com- mande de dispositifs de sécurité (non représentés). La figure 4 est une représentation schématique d'un mode de réalisation de l'invention appliqué à un four ' courant continu. Sur la figure, le four 1 comporte une seule élec- trode 3 positionnée par un organe 5. Le retour du courant s'effectue par un conducteur de sole 31. L'alimentation du four à partir du réseau s'effec- tue par l'intermédiaire d'un transformateur 32 qui est de préférence muni d'un commutateur à plots au primaire. Son secondaire est du type double étoile avec une bobine d'ab- sorption 33, comme cela est réalisé fréquemment lors de l'u- tilisation de thyristors pour le redressement de tensions faibles. Un ensemble 14 à thyristor est placé entre le se- condaire du transformateur 32 et un point commun relié à l'électrode, tandis que le retour du courant a lieu entre la sole et le point milieu de la bobine d'absorption 33. Lorsque l'alimentation se fait comme représenté, par l'in- termédiaire d'un secondaire du type double étoile, l'ensem- ble 14 comporte 6 thyristors, chacun étant disposé en série entre l'électrode et un enroulement du secondaire. Dans ce cas tous les thyristors sont commandés par un circuit de * commande 18 qui élabore les impulsions de commande néces- saires en fonction des caractéristiques de l'arc comme dé- crit en regard de la figure 1. Les organes amplificateurs de puissance ainsi que de mesure du courant et de la tension sont analogues à ceux dé- crits en regard des autres figures et n'ont pas été repré- sentés dans un souci de clarté. -Il est possible d'appliquer le- méme principe à la régulation d'un four à courant continu comportant 3 élec- trodes. Chacune d'elles est alors alimentée comme représen- té sur la figure 4. En utilisant des primaires de transformateur conve- nablement déphasés, avec des couplages en zig-zag, par exemple, on peut alors limiter les perturbations du réseau d'alimentation. La figure 5 représente également une application de l'invention à un four à courant continu. Comme dans le mode de réalisation de la figure 3 on cherche à utiliser les thyristors dans des gammes de ten- sion appropriées. L'ensemble 14 est constitué par 3 paires de thyristors montés en gradateurs au secondaire du trans- formateur principal d'alimentation 28 et en amont d'un transformateur auxiliaire d'adaptation de tension 34. La tension alternative régulée par les thyristors est ensuite redressée par un redresseur à diodes 35 disposé en secondaire du transformateur auxiliaire. Il va de soi que la présente invention n'a été dé- crite qu'à titre purement explicatif et nullement limitatif et que toutes modifications utiles dans le domaine des équivalents pourront lui être apportées sans sortir de son cadre tel que défini par les revendications ci-après. C'est ainsi, en particulier, que: - plusieurs types de régulations peuvent être uti- lisées - de courant, de tension, d'impédance, de puissance - distinctes ou associées dès lors qu'elles utilisent comme grandeurs finales de réglage la position des électrodes, d'une part, et la tension d'alimentation de l'arc, d'autre part; - le procédé s'applique aussi bien aux fours à cou- rant continu qu'aux fours à courant alternatif; - on peut éventuellement supprimer le commutateur à plots du transformateur en utilisant les possibilités de variation de tension qu'offrent les convertisseurs à thyris- tors; - on peut également actionner automatiquement le commutateur à plots du transformateur, par exemple lorsque la valeur de l'angle de retard d'amorçage du thyristor J- passe des limites prédéterminées; - on peut éventuellement remplacer les thyristors par des triacs ou des composants semi-conducteurs équiva- lents; - on peut mettre plusieurs thyristors en parallèle, et/ou série, leur nombre étant à déterminer en fonction de la puissance nécessaire. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de régulation d'arc d'un four électri- que à arc comportant au moins une électrode mobile, selon lequel la position de l'électrode est modifiée en fonction d'au moins une première caractéristique électrique de l'arc, procédé caractérisé en ce que la tension d'alimentation de l'électrode est modifiée en fonction d'au moins une seconde caractéristique de l'arc. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde caractéristiques de l'arc sont choisies parmi le groupe constitué par son impédance, sa puissance, l'intensité du courant traversant l'électrode et la tension d'arc. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première caractéristique électri- que de l'arc est la tension de l'arc. 4. Dispositif de régulation d'arc pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans un four à arc comportant au moins une électro- de mobile et alimenté par le réseau, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte au moins un thyristor destiné à modi- fier la tension d'arc, disposé entre l'électrode et le ré- seau, et dont la gâchette est reliée à la sortie d'un cir- cuit de régulation aux entrées duquel sont appliqués au moins un signal de mesure et un signal de référence repré- sentatifs d'une caractéristique électrique de l'arc. 5. Dispositif selon la revendication 4, destiné à un four alimenté en courant continu, caractérisé en ce que les thyristors de régulation sont disposés de manière à redresser le courant fourni par le réseau. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les thyristors sont disposés par paires, en paral- lèle et en opposition. 7. Dispositif selon la revendication 6, destiné à un four alimenté en courant continu, caractérisé en ce que les thyristors sont disposés au primaire d'un transformateur auxiliaire,un redresseur à diodes étant disposa entre 12 secon- daire dudit transformateur et l'électrode. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 7, caractérisé en ce que les thyristors de régu- lation sont de plus commandés de manière à servir d'inter- rupteurs statiques.