(57)【要約】      （修正有）【課題】一次側電源系において瞬時電圧低下を生じたときであっても操業安定性を確保するための直流アーク溶解炉の電源制御方法の提供。【解決手段】一次側電源系１０から可飽和リアクトル３０を介して整流器３２に交流を導き炉底電極６との間に通電しアークを発生させて被溶解材８を溶解させる直流アーク溶解炉の電源制御方法である。アークを制御するための電源制御装置２０は、一次側電源系１０に設けられた検出装置１２からの電圧低下を検出する検出信号を受けて整流器３２からの出力の低下を抑制せしめる電圧低下時制御を行うこと。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次側電源系から可飽和リアクトルを介して整流器に交流を導き炉底電極との間に通電しアークを発生させて被溶解材を溶解させる直流アーク溶解炉の電源制御方法であって、
前記アークを制御するための電源制御装置は、前記一次側電源系に設けられた検出装置からの電圧低下を検出する検出信号を受けて前記整流器からの出力の低下を抑制せしめる電圧低下時制御を行うことを特徴とする直流アーク溶解炉の電源制御方法。
【請求項２】
前記電圧低下時制御は、前記アークのアーク電圧を維持する制御であることを特徴とする請求項１記載の電源制御方法。
【請求項３】
前記電圧低下時制御は、前記可飽和リアクトルのインピーダンスを低下させる制御であることを特徴とする請求項２記載の電源制御方法。
【請求項４】
前記整流器はサイリスタ整流器であって、前記電圧低下時制御は前記サイリスタ整流器のゲート信号の制御であることを特徴とする請求項１記載の電源制御方法。
【請求項５】
前記電源制御装置は前記一次側電源系とは別系統の非常用制御電源を含み、前記電圧低下時制御は前記非常用制御電源を前記電源制御装置に接続し前記可飽和リアクトル又は前記サイリスタ整流器の制御信号を送出することを特徴とする請求項３又は４に記載の電源制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流アーク溶解炉の電源制御方法に関し、特に、一次側電源系において瞬時電圧低下を生じたときであっても操業安定性を確保するための直流アーク溶解炉の電源制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炉本体内においてアークを発生させて被溶解金属を溶解させるアーク溶解炉がある。かかるアーク溶解炉には、交流アーク溶解炉と直流アーク溶解炉とがあるが、交流の極性反転時にアークの消弧と再点弧とを繰り返す交流アーク溶解炉と比較して、直流アーク溶解炉はアークの安定性に優れ、連続操業性に優れる。また、直流アーク溶解炉は、アーク電流及びアーク電圧を維持して炉への入力エネルギを一定にして安定操業を図ろうとする場合にあっても、ダイオードやサイリスタなどの固体半導体整流器を使用することでアークの制御を細かに出来て、連続操業における制御性にも優れる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、サイリスタ整流器を用いた直流アーク溶解炉及びその制御方法が開示されている。変圧器で変圧された交流電源はサイリスタ整流器により直流に変換され、負極はリアクトルを介して上部電極に、正極は被溶解金属下の炉底電極に接続される。これにより、アーク放電が上部電極とアーク溶解炉内の被溶解金属との間に生じ被溶解金属を溶解させる。ここで、電流制御部では、予め設定された設定電流と検出電流（アーク電流）とを比較し、サイリスタ整流器の点弧角を制御して、アーク電流を設定電流に維持するよう制御する。一方、電極昇降制御部では、予め設定された設定電圧と検出電圧とを比較し、その偏差に対して演算を行って、電極の昇降を制御する。サイリスタ整流器の点弧角は一般に数ｍＳ程度の非常に短時間で変化させ得るから、アーク制御をきめ細かに出来るのである。
【０００４】
ところで、落雷等により商用電源としての一次側電源系において、数ｍｓ〜数百ｍｓ程度の短時間だけ電圧低下（以下において、「瞬低」と称する。）を生じたとき、直流アーク溶解炉の整流器の出力電圧も低下し、アークが乱れ、消弧してしまう場合がある。かかる場合、比較的小電力容量の利用分野であれば、蓄電装置に蓄えられた直流をインバータで交流に変換し、一次側電源系の電圧低下分を補償するようにこれを与える対策をし得る。しかしながら、電力容量の大きいアーク溶解炉の如きでは、蓄電装置の規模を大きくする必要があって、現実的な対策とはなり得ない。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献２では、瞬低時にあってもアークを維持し、またアークが消弧してしまっても再点弧を可能とする直流アーク溶解炉の電源制御方法を開示している。アーク溶解炉ではアーク経路上にイオンが十分に残存している時間内なら電源を回復させれば速やかにアークを再点弧させ得ることに着目し、少なくともこの時間内にはアークのための電源装置を電源回復に備えて作動可能状態に維持するとしている。詳細には、電源からサイリスタ整流器を介して電極に電源を繋ぎアークを発生させる直流アーク溶解炉において、瞬低発生後、所定時間内はサイリスタ整流器のゲートへの制御信号の供給を継続できるようにするとしている。１つの方法として、蓄電装置に予め蓄えておいた電力をサイリスタ整流器のゲートへの制御信号の供給に使用することを挙げている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０８−０６９８７７号公報
【特許文献２】特開平０７−２６３１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アーク溶解炉では、アーク経路上にイオンが十分に残存していれば、一旦消弧したアークを再点弧させることは比較的容易である。しかしながら、アーク経路上のイオンの状況は変化しやすく、特に、被溶解金属が移動することでアーク経路自体が大きく変化するからイオンの状況も大きく変化し、一旦、アーク電流及びアーク電圧のバランスが変化してしまうとアークの再点弧のための煩雑な制御が必要となる。
【０００８】
本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、一次側電源系において瞬時電圧低下を生じたときであっても操業安定性を確保するための直流アーク溶解炉の電源制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による直流アーク溶解炉の電源制御方法は、一次側電源系から可飽和リアクトルを介して整流器に交流を導き炉底電極との間に通電しアークを発生させて被溶解材を溶解させる直流アーク溶解炉の電源制御方法であって、前記アークを制御するための電源制御装置は、前記一次側電源系に設けられた検出装置からの電圧低下を検出する検出信号を受けて前記整流器からの出力の低下を抑制せしめる電圧低下時制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
かかる発明によれば、一次側電源系において瞬低を生じたときであっても、これを一次側電源系で検出し速やかにアークの消弧を抑制する電圧低下時制御を行うことができて、アーク電流及びアーク電圧のバランスを大きく変化させることなく、操業安定性を確保し得るのである。
【００１１】
上記した発明において、前記電圧低下時制御は、前記アークのアーク電圧を維持する制御であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、一次側電源系において瞬低を生じたときであっても、アーク電圧を維持する制御をすることでアークの消弧を抑制し、アーク電流及びアーク電圧のバランスを大きく変化させることなく、操業安定性を確保し得るのである。
【００１２】
更に、上記した発明において、前記電圧低下時制御は、前記可飽和リアクトルのインピーダンスを低下させる制御であってもよい。かかる発明によれば、一次側電源系において瞬低を生じたときであっても、アーク電圧を維持するよう比較的小電力で制御出来る可飽和リアクトルのインピーダンスを低下させる制御をすることでアークの消弧を抑制し、アーク電流及びアーク電圧のバランスを大きく変化させることなく、操業安定性を確保し得るのである。
【００１３】
また、上記した発明において、前記整流器はサイリスタ整流器であって、前記電圧低下時制御は前記サイリスタ整流器のゲート信号の制御であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、一次側電源系において瞬低を生じたときであっても、アーク電圧を維持するよう比較的小電力で制御出来るサイリスタ整流器のゲート信号を制御することでアークの消弧を抑制し、アーク電流及びアーク電圧のバランスを大きく変化させることなく、操業安定性を確保し得るのである。
【００１４】
また、上記した発明において、前記電源制御装置は前記一次側電源系とは別系統の非常用制御電源を含み、前記電圧低下時制御は前記非常用制御電源を前記電源制御装置に接続し前記可飽和リアクトル又は前記サイリスタ整流器の制御信号を送出することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、一次側電源系において瞬低を生じたときであっても、電源制御装置の制御を失うことなく、操業安定性を確保し得るのである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による電源制御方法を示すブロック図である。
【図２】本発明による電源制御方法を示すフロー図である。
【図３】本発明による電源制御方法における電流と電圧の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の１つの実施例によるアーク溶解炉の電源制御方法について図１乃至図３を用いて説明する。
【００１７】
図１に示すように、直流アーク溶解炉１は、直流アークを用いて被溶解金属８を溶解するための真空溶解炉（ＶＡＲ）である。棒状の上部電極４は上下駆動機構３によって吊下支持されており上下動自在である。かかる上下駆動機構３により、上部電極４の下方先端は炉本体２の上部からその内部に挿入され、炉本体２の内部に投入された被溶解金属８との距離を調整可能である。炉本体２の底部には炉底電極６が設けられ、上部電極４との間に電圧が印加される。この電圧及び上部電極４と被溶解金属８との距離を調整することで、アークを生成しつつアーク電流Iが流れ、このアーク熱によって被溶解金属８が溶解する。なお、アーク熱によって被溶解金属８の上部にはメタルプール８’が形成され、上部電極４と被溶解金属８との距離が変化し得るため、特に、アーク電圧ＶＦが変化し、適宜、図示しない自動制御装置から上下駆動機構３に制御信号を送出して、上部電極４の下方先端の位置を調整することが好ましい。
【００１８】
直流アーク溶解炉１の電源は商用電源としての一次側電源系１０から供給され、交流を可飽和リアクトル３０を用いて出力調整し、整流装置３２に導いて直流を得てこれを用いる。正極及び負極は直流アーク溶解炉１のそれぞれ上部電極４及び炉底電極６に接続されている。
【００１９】
可飽和リアクトル３０は、リアクタンスとして働くが、後述する電源制御装置２０の電源制御基板２１からの制御信号（制御電流）Ｓを受けてそのインピーダンスを変化させることが可能である。つまり、一次側電源系１０からの交流を比較的小電力の制御信号Ｓに対応させて制御し、整流装置３２に送出する。
【００２０】
整流装置３２は、可飽和リアクトル３０から送出された交流を直流に変換するための半導体整流器、例えば、ダイオードやサイリスタを含む。また、適宜、平滑回路により変換後の脈流を平滑化させて出力する。なお、整流器にサイリスタを用いた場合にあっては、後述する電源制御回路２２からの比較的小電力の制御信号（制御電流）Ｓ’をゲート端子に与えて出力を制御しつつＡＣ／ＤＣ変換をし得る。
【００２１】
電源制御装置２０は、一次側電源系１０から電力の供給を受けて動作する電源制御回路２２において、整流装置３２の下流にあって、図示しない分流器などを含む電流計３４及び電圧計３６からのアーク電流Ｉ及びアーク電圧ＶＦの計測値を受信しながら直流アーク溶解炉１の炉本体２内のアークを制御する。つまり、所定の制御プログラムに従って、アーク電流Ｉ及びアーク電圧ＶＦの計測値に基づいて、可飽和リアクトル３０への制御信号Ｓを送出し、一次側電源系１０からの交流出力を制御する。また、整流装置３２の整流器にサイリスタを用いた場合にあっては、該サイリスタのゲート電流を制御信号Ｓ’で制御し、整流装置３２からの出力を制御する。
【００２２】
更に、電源制御装置２０は、電源制御回路２２とともに動作する瞬低補償回路２４を含む。また、電圧低下検出装置１２は、一次側電源系１０における電圧変動を計測し、電圧低下を検出すると非常用制御電源２６を電源制御装置２０に接続するとともに、電圧低下を示す検出信号を電源制御回路２２に送信する。電源制御回路２２は、かかる信号を受信すると、瞬低補償回路２４を動作させる。ここで、瞬低時にあっても、電源制御回路２２は一般的に小電力である制御信号Ｓ（若しくはＳ’）を送出する程度の電源の供給を一次側電源系１０から受け得るが、少なくとも非常用制御電源２６からの電源の供給も受けるからダウンすることはない。なお、電圧低下検出装置１２は、例えば、数ｍＳ〜数十ｍＳ程度の短期間の電圧低下を検出できて検出信号を即座に出力できる電圧継電器である。また、非常用制御電源２６を電源制御装置２０に接続するためのリレースイッチは、電圧低下検出装置１２に設けてもよいし、電源制御装置２０に設けてもよい。
【００２３】
次に、直流アーク溶解炉１の電源制御方法について説明する。
【００２４】
図１に示すように、炉本体２の内部に被溶解金属８を投入し、電源制御装置２０によって上部電極４と炉底電極６との間に所定の電圧を印加する。これとともに、上下駆動機構３にて上部電極４と被溶解金属８との距離を小さくしていくと、アークを生成しアーク電流Ｉが流れる。このアーク熱によって被溶解金属８が溶解し、メタルプール８’が形成される。上部電極４と被溶解金属８との距離が安定すると、図３に示すように、アーク電流Ｉとアーク電圧ＶＦとの間には曲線１０１に示すような一定の関係を維持する。すなわち、アーク電圧ＶＦが一定の時、アーク電流Ｉが曲線１０１よりも下側に低下してしまうとアークは消弧する。また、アーク電流Ｉが一定でも、アーク電圧ＶＦが曲線１０１よりも下側に低下してしまうとアークは消弧する。なお、直流アーク溶解炉１への投入電力は電流計３４及び電圧計３６によりそれぞれ計測されるアーク電流Ｉとアーク電圧ＶＦによって決定できる。
【００２５】
ここで、アーク抵抗を含む直流アーク溶解炉１の等価回路を考慮したときの回路インピーダンスＺＦは、
Ｉ＝ＶＦ／ＺＦ                                    （式１）
で表される。また、整流装置３２に電源トランスを含まない場合には、一次側電源Ｖとアーク電圧ＶＦとの間には、可飽和リアクトルのインピーダンスＺＬを用いると、抵抗比に従って、
ＶＦ＝{ＺＦ／（ＺＬ＋ＺＦ）}×Ｖ＝ｋ×Ｖ            （式２）  
の関係が成り立つ。なお、係数ｋ＝ＺＦ／（ＺＬ＋ＺＦ）である。
【００２６】
つまり、式１において、電流計３４によって計測されるアーク電流Ｉが小さいときは、一次側電源Ｖを一定とすると、可飽和リアクトル３０のインピーダンスＺＬを小さくするように電源制御回路２２の制御信号（制御電流）Ｓを与えることでアーク電流Ｉを大きくすることができるのである。
【００２７】
なお、整流装置３２の整流器にサイリスタを用いた場合にあっては、電源制御回路２２は、サイリスタのゲートへ制御信号（制御電流）Ｓ’を送出しつつ、サイリスタからの出力を制御出来る。このとき、電流計３４及び電圧計３６においてそれぞれ計測されるアーク電流Ｉとアーク電圧ＶＦを、例えば、図３の曲線１０１上になるようにフィードバック制御することもできる。
【００２８】
ところで、落雷などにより一次側電源系１０の電圧が低下した場合の直流アーク溶解炉１の電源制御方法について、図２に沿って説明する。
【００２９】
電圧低下検出装置１２では、一次側電源系１０の電圧変動を計測し、電圧低下の検出を待機している（ＳＴ１）。電圧低下を検出すると電源制御装置２０に非常用制御電源２６を接続する（ＳＴ２）とともに、電源制御回路２２へ向けて電圧低下を示す検出信号を送信する（ＳＴ３）。
【００３０】
一方、電源制御装置２０では、電源制御回路２２において電圧低下検出装置１２からの電圧低下を示す検出信号の受信を待機している（ＳＴ４）。検出信号を受信すると、電源制御回路２２は、瞬低補償回路２４を動作させる（ＳＴ５）。このとき、電源制御装置２０には、一次側電源系１０から図示しない変圧器及び整流器を経て供給される電力と並列して、非常用制御電源２６からの制御電源が供給されている。これにより、電源制御装置２０は少なくとも瞬低時にあってもダウンすることがない。
【００３１】
続いて、電源制御装置２０は、瞬低補償回路２４の動作に基づき電源制御回路２２に整流装置３２の出力の低下を抑制するよう動作をさせるが、ここでは可飽和リアクトル３０へ制御信号（制御電流）Ｓを送出させる（ＳＴ６）。これを受けた可飽和リアクトル３０はインピーダンスＺＬを低下させ、すなわち、式２に示す係数ｋの値を大きくして、一次側電源系１０の電圧Ｖが低下してもアーク電圧ＶＦの低下を抑制する。
【００３２】
ここで、図３に示すように、アーク電圧ＶＦ及びアーク電流Ｉについて、Ａ点で安定操業をしていた場合、瞬低が生じると、アーク電圧ＶＦ及びアーク電流ＩはＢ点に移動しようとしてアークが消弧してしまう。一方、上記したＳＴ１〜ＳＴ４の制御では、可飽和リアクトル３０のインピーダンスＺＬを低下させてＶＦを上昇させ、Ａ１点に移動しようとする一方、瞬低によりＢ１点に移動したとしても、曲線１０１の上方にあるためアークは消弧しないのである。
【００３３】
なお、整流装置３２の整流器にサイリスタを用いた場合にあっては、電源制御回路２２は、サイリスタのゲートへ制御信号（制御電流）Ｓ’を送出する（ＳＴ４）。サイリスタのゲート電流を一定に維持、又は、大きくすることで、少なくともアーク電流Ｉを維持し、アークの消弧を抑制するのである。
【００３４】
以上によれば、一次側電源系１０において瞬低を生じたときであってもアークの消弧を抑制し、アーク電流Ｉ及びアーク電圧ＶＦのバランスを大きく変化させることなく、故に操業安定性を確保し得るのである。
【００３５】
ここまで本発明による代表的実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるだろう。
【符号の説明】
【００３６】
１      アーク溶解炉
４      上部電極
６      炉底電極
８      被溶解金属
１０    一次側電源系
１２    電圧低下検出装置
２０    電源制御装置
２２    電源制御回路
２４    瞬低補償回路
３０    可飽和リアクトル
３２    整流装置
３４    電流計
３６    電圧計
【図１】
2014075180.tif 000003
【図２】
2014075180.tif 000004
【図３】
2014075180.tif 000005