(57)【要約】【課題】インバータ装置を介して給電するようにしたアーク炉におけるアーク電流および電圧をより安定に維持して安定操業を図りアーク切れを極力防止し、直流アーク炉と同様にフリッカを抑制する。【解決手段】インバータ装置を介して交流電力の供給される交流アーク炉において、インバータ装置と交流アーク炉との間に適宜のリアクトルを挿入し、前記交流アーク炉に流れるアーク電流を検出し、この電流に変化に応じてインバータ装置の出力周波数変化させて、インバータ装置およびリアクトルを含めたアーク炉への電源回路のインピーダンスを変更してアーク電流を一定に制御する手段を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ装置を介して交流電力が供給される交流アーク炉において、インバータ装置と交流アーク炉との間に適宜のリアクトル成分を持たせる共に、前記交流アーク炉の電極に流れるアーク電流を検出し、この電流変化に応じてインバータ装置の出力周波数を変化させて、アーク電流を一定に制御するアーク電流制御手段を設けたことを特徴とする交流アーク炉の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、アーク炉の電極の電圧を検出し、その変化に応じて電極位置を制御して電極電圧を一定に制御するアーク電圧制御手段を設けたことを特徴とする交流アーク炉の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鋼材等の溶解に使用するアーク炉において、フリッカを低減しつつ効率良くアーク電流を安定に流すことのできるアーク炉の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼材等の溶解に使用するアーク炉には、電源に交流を用いる交流アーク炉と直流を用いる直流アーク炉がある。いずれの場合も、フリッカの低減および安定操業のために、アーク電流を安定に流すことが要求される。
【０００３】
このために、交流アーク炉においては、可動電極を電極昇降装置により位置を制御してアーク抵抗を一定にして電流を所定の電流に保ち、また、直流アーク炉においては、サイリスタ整流器を用いた直流電力変換装置により電極に加える直流電圧を制御することによってアーク電流を所定の電流に制御するのが一般的である。
【０００４】
交流アーク炉において電極の昇降制御によりアーク電流を制御する場合、その応答は機械的な昇降装置による電極の昇降速度に依存するため、アーク抵抗の変化に電極の昇降が追従できずアーク電流が不安定になり安定操業が困難となることがある。このようにアーク電流が不安定になることフリッカが発生し電源系統へ大きな電圧変動を与える不都合もある。
【０００５】
一方、直流アーク炉の場合は、直流電力変換装置によりアーク電流の高速制御が可能であるため、フリッカの抑制に効果がある。しかし、直流を用いることによる炉体構造上炉底電極が必要となり、この電極の寿命が短く電極および炉底の交換などの保守管理が煩雑となるなどの問題がある。
【０００６】
このような問題を解決するために、特許文献１には、インバータ装置のような交流電力変換装置を介してアーク炉へ交流電力の供給するようにした交流アーク炉が提案されている。図４は、この特許文献１に示された、交流アーク炉の制御装置の構成を示すものである。
【０００７】
図４において、１０はアーク炉であり、３本の電極１６，１７，１８を有する。商用の交流電源１から変圧器２を介して加えられる交流電力をサイリスタ整流器からなる直流電力変換装置３により直流電力に変換し、この直流電力をインバータ４により交流電力に変換してアーク炉１０の３本の電極１６、１７、１８に供給する。５０は、インバータ４の電流を制御するための電流制御部である。この電流制御部５０は、電力設定器５１、電力検出演算器５２、加算器５３、電力調節器５４、リミッタ５５、加算器５６、および電流調節器５７を、各電極１６，１７，１８に対応して備えている。また、電流制御部５０は、インバータ４の出力電流を検出する変流器５８と、インバータ４の出力電圧を検出する変成器５９とを、各電極１６，１７，１８に備えている。
【０００８】
このようにインバータ４を介してアーク炉１０に交流電力を供給するように構成することにより、アーク炉の各電極の電圧および電流を負荷状況に応じてインバータ４により自由に高速制御することができる。
【０００９】
インバータ４を制御する電流制御部５０においては、電力設定器５１に、各電極１６，１７，１８に対応に電力投入量Ｐｓ1，Ｐｓ2，Ｐｓ3が予め設定される。一方、各変流器５８により各電極１６，１７，１８の電流Ｉｄ1，Ｉｄ2，Ｉｄ3が検出され、また、各変成器５９により各電極１６，１７，１８の電圧Ｖｄ1，Ｖｄ2，Ｖｄ3が検出される。そして、電力検出演算器５２が、検出された電流Ｉｄ1，Ｉｄ2，Ｉｄ3及び電圧Ｖｄ1，Ｖｄ2，Ｖｄ3から各電極１６，１７，１８で消費される電力Ｐｄ1，Ｐｄ2，Ｐｄ3を演算により求める。
【００１０】
各加算器５３で、電力設定器５１にセットしている各電極１６，１７，１８に対応する電力投入設定値Ｐｓ1，Ｐｓ2，Ｐｓ3と、電力検出演算器５２で得た消費電力Ｐｄ1，Ｐｄ2，Ｐｄ3とを比較し、その差分値から各電力調節器５４が電流設定値を演算し、各リミッタ５５を介して各加算器５６に入力する。各加算器５６で、この電流設定値と各変流器５８から交流から直流に変換する演算器６０を通して与えられる各電極電流Ｉｄ1，Ｉｄ2，Ｉｄ3とを比較し、その差分が各電流調節器５７に入力される。そして、各電流調節器５７は入力に対応する電流指令値を求め、インバータ４へ電流指令として入力する。
【００１１】
以上のような各部の動作により、各電力調節器５４から各電流調節器５７に指令（信号）が与えられ、各電力設定器５１にセットした電力に対応した電流となるように、各電流調節器５７からインバータ４に電流指令が与えられる。そして、インバータ４は、各電流調節器５７からの電流指令に基づき出力制御をすることで、各電極１６，１７，１８の電力制御を行う。このような制御装置において、電力投入設定値Ｐｓ1，Ｐｓ2，Ｐｓ3を等しい値に選定することによりインバータ４による負荷側各相電力の平衡化を実現するとともに各電極の電流を負荷変動に即応して制御がすることが可能となるため、フリッカの発生を抑制することができる。
【特許文献１】特開２００４-０９６８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記のように交流アーク炉への供給電力をインバータにより制御することにより、負荷電流すなわちアーク電流の変化に即応した制御ができるが、この方式においては、ある一定周波数のもとでインバータの出力電圧を電流の変化に応じて制御するものである。出力電圧を制御してアーク電流を制御するには、サイリスタ制御によるアーク電流制御と同様に、アーク長が変化してもアーク電流を一定に流すのに必要な無負荷電圧を装置として確保出来なければならず、定格負荷運転時の電圧よりも大きな電圧を発生しなければならない。
【００１３】
それ故、従来のインバータを用いたアーク炉の制御装置においては、装置の容量は通常必要とする以上に大きなものを用意しなければならず、装置が大形になるとともに価格が高価となる問題がある。
【００１４】
この発明は上記の問題を解決するために、インバータ装置を介して給電するようにした交流アーク炉におけるアーク電流をより安定に維持して安定操業を図りアーク切れを極力防止し、直流アーク炉と同様にフリッカを抑制することのできる、小形で安価なアーク炉の制御装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の課題を解決するため。第１の発明は、インバータ装置を介して交流電力が供給される交流アーク炉において、インバータ装置と交流アーク炉との間に適宜のリアクトル成分を持たせると共に、前記交流アーク炉の電極に流れるアーク電流を検出し、この電流変化に応じてインバータ装置の出力周波数を変化させて、アーク電流を一定に制御するアーク電流制御手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
第２の発明は、前記第１の発明において、アーク炉の電極の電圧を検出し、その変化に応じて電極位置を制御して電極電圧を一定に制御するアーク電圧制御手段を設けたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、交流アーク炉に接続する電源設備にインバータ装置を用いると共に適宜のリアクトル成分を持たせ、アーク電流の変化に応じてインバータ装置の周波数を変化させて交流アーク炉の電源インピーダンスを制御することにより、電源の電圧−電流垂下特性をアーク電流の変化を減少させる方向に変えてアーク電流を所定の電流に保つようにしているため、電源電圧の波形をほとんど変えずにアーク電流の制御が可能となり、アーク電流がより安定し、アーク切れの発生を抑止できるとともに、フリッカの発生を抑制可能となる。
【００１８】
そして、この発明は、一定周波数のもとでインバータ装置の出力電圧をアーク電流の変化に応じて制御するものでなく、アーク電流の変化に応じて周波数を制御するものであるため、インバータの出力電圧を必要以上に高くする必要がない。したがって、インバータ装置の容量を小さくでき、その分、装置の価格を安価とすることができる。
【００１９】
また、電極昇降装置による電極電圧制御手段を付加することにより、アーク電流の制御に追従して電極電圧を所定電圧に保つこことができるので、アーク炉への注入電力が常に一定となり、アーク炉の操業を安定化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、この発明の実施の形態を、図に示す実施例に基づいて説明する。
【００２１】
図１は、この発明の実施例を示すブロック構成図である。
【００２２】
図１において、商用の交流電源１に電源変圧器２および電源リアクトル２１を介して、サイリスタ整流器等で構成された交流電力を直流電力に変換する整流装置３が接続され、この整流装置３の出力に直流電力を任意の周波数および電圧の交流電力に変換するインバータ装置４が接続される。このインバータ装置４の３相出力に、適宜のフリッカ防止用のリアクトル４１を介して交流アーク炉１０の３本の電極ｄ（ｄ１〜ｄ３）が接続される。なお、リアクトル４１は、インバータ装置４から交流アーク炉１０への給電回路にリアクタンス成分を持たせ、部分的これに置き変えるか、完全に置き換えることが可能である。
【００２３】
これにより、インバータ装置４から電極ｄ１〜ｄ３に３相交流電力が供給され、この電力により各電極と炉１０内に挿入された図示しない被溶解材との間にアークを発生させ、アーク熱により被溶解材を溶解する。
【００２４】
さらに、この発明にしたがってアーク電流を制御するためのアーク電流制御装置６と電極の電圧を制御するための各電極に対応に３個のアーク電圧制御装置７（７−１〜７−３）が設けられている。
【００２５】
各電極ｄ１〜ｄ３の給電回路に、各電極に流れるアーク電流Ｉｄ１〜Ｉｄ３を検出するための変流器ＣＴ（ＣＴ１〜ＣＴ３）と、各電極のアーク電圧Ｖｄ１〜Ｖｄ３を検出するための変成器ＰＴ（ＰＴ１〜ＰＴ３）が設けられる。変流器ＣＴ１〜ＣＴ３から出力される検出電流は整流器６２−１〜６２−３により直流信号に変換してアーク電流検出信号Ｉｄ１〜Ｉｄ３としてアーク電流制御装置６の加算器６３に加えられ、ここで加算さて、平均値演算回路６４により３つのアーク電流信号の平均値が求められる。この平均値演算回路６４の出力からノイズ除去用フィルタ回路６５によりノイズを除去してアーク電流検出信号Ｉｄ求められる。このアーク電流検出信号Ｉｄは、加算器６６において、アーク電流設定器６１−１から与えられるアーク電流設定信号Ｉｄｓと逆極性につき合わされて、アーク電流設定信号に対するアーク電流検出信号の偏差信号ΔＩｄが求められる。電流調節器６７は、アーク電流の偏差信号ΔＩｄに対応する周波数加減信号ｆｄを演算する。この電流調節器６７で求められた周波数加減信号ｆｄはこの信号の上限値を制限するリミッタ回路６８を介して加算器６９に与えられ、ここで、周波数設定器６１−２により予めインバータ装置４の標準周波数として設定された周波数設定信号ｆ０と加算して周波数指令信号ｆｓが形成され、これが、インバータ装置４に周波数指令信号として与えられる。
【００２６】
また、変成器ＰＴ１〜ＰＴ３により検出された各電極のアーク電圧検出信号Ｖｄ１〜Ｖｄ３は、整流器７２（７２−１〜７２−３）により直流信号に変換され、ノイズ除去用フィルタ回路７３（７３−１〜７３−３）を介して加算器７４の一方の入力に逆極性に加えられる。
【００２７】
なお、アーク電圧制御装置７（７−１〜７−３）は各電極に対応して３個設けられるが、その構成は同じなので、ここでは、詳細な構成は、代表してアーク電圧制御装置７−１だけを図示し、他の装置については図示を省略する。
【００２８】
アーク電圧検出信号Ｖｄ１の加えられた加算器７４の他方の入力にはアーク電圧設定器７１により設定されたアーク電圧設定信号Ｖｓが加えられており、この加算器７４でこの設定信号Ｖｓに対する検出信号Ｖｄ１の偏差ΔＶｄが求められる。ＰＩ調節器からなる速度調節器７５は、この偏差信号ΔＶｄ１に対応する電極昇降駆動装置８−１の駆動電動機８４に対する速度指令信号Ｓｓ１を演算し、これを上限を制限するリミッタ回路７６を介して加算器７７の一方の入力に加える。この加算器７５の他方の入力には、電極昇降駆動装置８−１の駆動電動機８４の速度を検出する速度検出器８５から速度検出信号Ｓ１が加えられ、速度指令信号Ｓｓ１と比較され偏差信号ΔＳ１が求められる。この速度偏差信号ΔＳ１に基づいて速度調節器７８により電動機８４を駆動するインバータ装置８３に与えるトルク指令信号Ｔｓが演算により求められる。
【００２９】
電極昇降駆動装置８−１は、駆動用交流電源８１、この電源８１から供給される交流電力を直流電力に変換する整流装置８２、整流装置８２のから出力される直流電力を可変周波数および可変電圧の交流電力に変換する電動機駆動用インバータ装置８３およびこのインバータ装置８３により可変速制御され、電極ｄ１〜ｄ３ごとに設けられたここには図示しない昇降装置を駆動する電動機８４から構成される。この昇降装置駆動電動機８４の駆動軸にはその速度を検出するための速度検出器８５が結合され、その出力信号が速度検出信号Ｓ１として、前記したようにアーク電圧制御装置の速度調節器に７８にフィードバックされる。
【００３０】
次にこのように構成されたこの発明の実施例の動作を説明する。
【００３１】
まず、アーク電流制御装置６について説明する。
【００３２】
アーク炉１０の操業中に負荷変動や、電極の消耗により電極位置の変動が生じることなどによりアーク電流は刻々変化する。今、電極の距離が開き、アーク抵抗が増大してアーク電流が減少方向に変動したとすると、変流器４２、整流器６２加算器６３平均値演算回路６４およびフィルタ回路６５で構成されたアーク電流検出回路から加算器６６に加えられるアーク電流検出信号Ｉｄ（Ｉｄ＝（Ｉｄ１＋Ｉｄ２＋Ｉｄ３）／３）が減少する。したがって加算器６６からは正の偏差信号ΔＩｄが出力され、これに対応して電流調節器６７は演算により周波数を減少させる方向の周波数加減信号−ｆｄを求め、加算器６９に出力する。加算器６９ではこの−ｆｄと周波数設定器６１−２で設定された標準周波数設定信号ｆ０と加算してインバータ装置４へ周波数指令信号ｆｓ（ｆｓ＝ｆ０−ｆｄ）として与える。
【００３３】
通常、標準周波数ｆ０で動作しているインバータ装置４は、直ちにこの周波数指令信号ｆｓ（ｆｓ＝ｆ０−ｆｄ）にしたがって、標準周波数ｆ０よりｆｄ分だけ低い周波数に出力周波数を低下させる。
【００３４】
このようにインバータ装置４の出力周波数が低下することによりと、インバータ装置４からリアクトル４１を介してアーク炉１０へ給電する回路の電源を含めたインピーダンスが小さくなるため、電極に流れるアーク電流が増大し、アーク電流設定器６１−１に設定された電流値へ戻る。アーク電流が負荷抵抗の減少によって増大する方向へ変化した場合は、電流調節器６７が周波数を増加する方向の周波数加減信号＋ｆｄを発生し、インバータ装置４へｆｓ＝ｆ０＋ｆｄの周波数指令信号を与え、インバータ装置４に周波数の増大を指令するように作用する。これにより、アーク炉への給電回路のインピーダンスが増大しアーク電流を設定電流Ｉｄｓまで減少させる。このようにして、各電極を流れるアーク電流Ｉｄをほぼ一定に保つことができる。
【００３５】
この作用を、いま少し補足して説明する。
【００３６】
図２は、アーク炉１０を含む設備の等価回路を示すものである。
【００３７】
この回路において、４ａは図１におけるインバータ装置４を含む電源であり、Ｖはその出力電圧を示している。Ｌは、図１におけるリアクトル４１および給電ケーブル等のリアクタンスを含めた電源のリアクタンスを示し、１０ａは負荷となるアーク炉１０における電極に発生するアーク抵抗を示す。Ｖｄはアーク抵抗（負荷抵抗）１０ａの両端に現われるアーク電圧を示している。この回路に流れる電流Ｉは電源４ａ（インバータ装置４）の出力周波数ｆで決まる電源インピーダンスＺ（Ｚ＝ω・Ｌ＝２・π・ｆ・Ｌ）による電源電圧の垂下特性と電極に発生するアークの有する負荷特性の交点で決定される。
【００３８】
すなわち、図３に示すように、電極に発生するアークは、アーク電圧がＶｄ１の時は、特性線（１）で示すような負荷特性を示し、Ｖｄ２（Ｖｄ１＞Ｖｄ２）の時は、特性線（２）で示すような負荷特性を示す。
【００３９】
そして電源４ａの電圧の垂下特性は、インバータ装置（電源）の出力周波数がｆ１のときは、電源インピーダンスＺ１（Ｚ１＝ω１・Ｌ＝２・π・ｆ１・Ｌ）となり、図３における特性線（Ｉ）に示すような特性を示す。電源の周波数がｆ２（ｆ１＞ｆ２）になると電源インピーダンスがＺ２（Ｚ２＝ω２・Ｌ＝２・π・ｆ２・Ｌ）となるため、電源の電圧の垂下特性は図３における特性線（II）で示すような特性となる。特性線（Ｉ）および（II）の負荷電流が０のときの電圧（無負荷電圧）は、両方ともＶ０で変わらない。
【００４０】
いま、電源周波数がｆ１で、アーク電圧がＶｄ１にあるときは、アーク電流Ｉは、電源電圧垂下特性線（Ｉ）とアークの負荷特性線（１）の交点Ｐ１における電流Ｉ１となる。この状態で負荷の変動等により、アークの負荷特性が負荷特性線（２）に移動すると、アーク電流Ｉは，電圧垂下特性線（Ｉ）と負荷特性線（２）との交点Ｐ２における電流Ｉ２に増大する。
【００４１】
このようにアーク電流に変化があると、前記した図１の実施例のアーク電流制御装置６における電流調節器６７から電流の増加分に対応した周波数増加信号Δｆが発生され、加算器69においてこの周波数増加信号Δｆを標準周波数指令信号ｆ０に加算して求められた周波数指令信号ｆｓ（ｆｓ＝ｆ０＋Δｆ＝ｆ２）がインバータ装置４に与えられることになる。これにより電源（インバータ装置４）の出力周波数がｆ２に増大すると、電源の電圧の垂下特性が図３における特性線（II）へ移行するため、アーク電流Iは、アークの負荷特性線（２）と電源電圧垂下特性線（II）との交点Ｐ３の電流Ｉ１に戻され、一定の電流に保たれる。
【００４２】
このようにアーク電流をフィードバックさせて、所定の電流との偏差に応じてインバータの周波数を変えることによりアーク電流を一定にすることが可能となる。その後、アーク電圧がアーク長に比例することから電極を昇降させてアーク電圧を所定の電圧に戻すアーク電圧制御を行うとアーク電力も一定に制御することが可能となる。
【００４３】
すなわち、図１におけるアーク電圧制御装置７（７−１、７−２、７−３）が次のように動作する。
【００４４】
前記アーク電流制御装置６により、アーク電流はＩ２に変化しても、元のＩ１に戻され一定に保たれるが、アーク電圧Ｖｄは図２におけるアークの負荷特性線（２）上の電圧Ｖｄ２に低下したままとなる。このようにＶｄ２に変換したアーク電圧が変成器ＰＴで検出され、整流回路７２、フィルタ回路７３を介して加算器７４に加わり、ここで設定電圧信号Ｖｄｓに対する偏差ΔＶｄ（Ｖｄ＝Ｖｄｓ−Ｖｄ２）が求められる。ＰＩ調節器からなる電圧調節器７５がこの偏差ΔＶｄに対応した速度指令信号Ｓｓを演算してリミッタ回路７６を経由して、速度調節器７８の加算器７７に与える。速度調節器７８は加算器７７で求められた速度指令信号Ｓｓと電極昇降装置８の速度検出器８５から駆動電動機８４の速度検出信号Ｓの偏差ΔＳに対応したトルク指令信号Ｔｓを演算し、求めた信号Ｔｓを、駆動電動機８４を制御する電動機制御インバータ８３のトルク指令として与える。インバータ８３は、電動機８４がこの指令されたトルクを発生するように電動機への供給電力を制御する。これに応じて電動機８４が電極ｄを駆動し、電極の位置を昇降する。そして電極のアーク電圧Ｖｄが設定電圧Ｖｄｓと一致する位置で停止される。このような電極の昇降制御により、電極のアーク電圧Ｖｄが一定に制御されるようになる。
【００４５】
アーク電流制御装置６およびアーク電圧制御装置７の両方を備えることにより、負荷等の変動があっても電極の電流および電圧を一定に保つことができるので、アーク炉への投入電力を一定にして安定供給することができ、アーク炉の操業が安定し、アーク切れおよびフリッカの発生を抑制することができる。
【００４６】
以上の説明から明らかなとおり、この発明は、アーク電流の変化に応じてインバータ装置の出力周波数を制御することによりアーク電流を安定に保つようにしているので、電流制御のためにインバータ装置の無負荷電圧を、図３のＶ0のままにでき、増大する必要がない。このため、インバータ装置の容量を小容量にでき、その分、装置の価格を安価にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の実施例を示すブロック構成図である。
【図２】この発明の説明に用いるアーク炉設備の等価回路図である。
【図３】この発明の説明に用いるアーク電流およびアーク電圧の電圧−電流特性図である。
【図４】従来例を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：商用交流電源
２：電源変圧器
２１：電源リアクトル
３：整流装置
４：インバータ装置
４１：フリッカ防止用リアクトル
６：アーク電流制御装置
７（7-1、7-2、7-3）：アーク電圧制御装置
【図１】
2006252931.tif 000003
【図２】
2006252931.tif 000004
【図３】
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【図４】
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