(57)【要約】  電気アーク炉（１１）のための電力供給方法であって、この方法は、電極の電源電圧（Ｕａ）及び電源電流（Ｉａ）の電源周波数（ｆａ）を、幹線周波数（ｆｒ）とは無関係に調整することを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気アーク炉（１１）のための電力供給方法であって、
電気ネットワーク（１６）によって、所定幹線周波数（ｆｒ）を有する幹線電圧（Ｕｒ）及び幹線電流（Ｉｒ）を供給する工程と、
変圧器（１５）を用いて、前記幹線電圧（Ｕｒ）及び幹線電流（Ｉｒ）を、前記幹線周波数（ｆｒ）に実質的に等しいベース周波数（ｆｂ）を有する選択的に設定可能なベース電圧（Ｕｂ）及びベース電流（Ｉｂ）に変える工程と、
直流電圧及び直流電流を得るために、複数の整流器（１９）によって、前記ベース電圧（Ｕｂ）及び前記ベース電流（Ｉｂ）を整流する工程と、
複数のコンバータ（２０）によって、前記直流電圧及び前記直流電流を、前記コンバータ（２０）に接続された制御及び命令ユニット（２１）を用いて交流の電源電圧（Ｕａ）及び電源電流（Ｉａ）、これらは選択的に設定可能である、に変換する工程と、
前記電源電圧（Ｕａ）及び前記電源電流（Ｉａ）を、前記電気アーク炉（１１）の複数の電極（１３）に供給する工程と、を有し、
前記電気アーク炉（１１）の融解サイクルの各工程中に、調整デバイス（２２）によって、前記電源電圧（Ｕａ）及び前記電源電流（Ｉａ）の電源周波数（ｆａ）を、前記幹線周波数（ｆｒ）とは無関係に調整し、これにより、前記電気アーク炉（１１）の電力供給装置（１０）のリアクタンスを、可能であれば即座に調整し、
前記整流器（１９）は、直流で機能する少なくとも１つの中間回路（２３）によって前記コンバータ（２０）に接続され、
前記中間回路（２３）は、電気を連続的に蓄えるとともに、前記電極（１３）と前記整流器（１９）との間の分離、即ち前記電気ネットワーク（１６）との分離をもたらす、電力供給方法。
【請求項２】
前記融解サイクルは、金属材料（Ｍ）に穴をあける工程を少なくとも１つと、融解させる工程と、を有し、
前記電源周波数（ｆａ）は、前記穴をあける工程では第１の値（ｆ１）を少なくとも有し、前記融解させる工程では前記第１の値（ｆ１）よりも小さい第２の値（ｆ２）を少なくとも有する、請求項１に記載の電力供給方法。
【請求項３】
前記第１の値（ｆ１）は、前記幹線周波数（ｆｒ）よりも少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％高い、請求項２に記載の電力供給方法。
【請求項４】
前記電源周波数（ｆａ）の前記第２の値（ｆ２）は、前記幹線周波数（ｆｒ）の０．９倍から１．１倍の間で可変である、請求項２又は３に記載の電力供給方法。
【請求項５】
前記融解サイクルは、融解材料を精錬する工程を有し、
前記精錬する工程において、前記電源周波数（ｆａ）は、前記第２の値（ｆ２）よりも小さい第３の値（ｆ３）を少なくとも有する、請求項２〜４の何れか一項に記載の電力供給方法。
【請求項６】
前記電源周波数（ｆａ）の前記第３の値（ｆ３）は、前記幹線周波数（ｆｒ）の０．３倍から０．５倍の間である、請求項５に記載の電力供給方法。
【請求項７】
前記調整デバイス（２２）は、ヒステリシスモジュレータ及びパルス幅変調（ＰＷＭ）モジュレータのうちから選択される、請求項１〜６の何れか一項に記載の電力供給方法。
【請求項８】
電気アーク炉（１１）のための電力供給装置であって、
所定幹線周波数（ｆｒ）を有する幹線電圧（Ｕｒ）及び幹線電流（Ｉｒ）を供給するために電気ネットワーク（１６）に接続された変圧器（１５）であって、前記幹線電圧（Ｕｒ）及び幹線電流（Ｉｒ）を交流のベース電圧（Ｕｂ）及びベース電流（Ｉｂ）にそれぞれ変えるよう構成された変圧器（１５）と、
前記変圧器（１５）に接続され、前記ベース電圧（Ｕｂ）及び前記ベース電流（Ｉｂ）を直流電圧及び直流電流に変えるよう構成された複数の整流器（１９）と、
前記複数の整流器（１９）に接続され、前記直流電圧及び前記直流電流を交流の電源電圧及び電源電流に変換するよう構成された複数のコンバータ（２０）と、を備え、
前記コンバータ（２０）は、前記電気アーク炉（１１）の電極（１３）と、前記コンバータ（２０）の機能を制御及び命令するよう及び前記電源電圧（Ｕａ）及び前記電源電流（Ｉａ）を経時的に調整するよう構成された制御及び命令ユニット（２１）と、に接続されており、
前記制御及び命令ユニット（２１）は調整デバイス（２２）を備え、
前記調整デバイス（２２）は、前記電気アーク炉（１１）の融解サイクルの各工程中に、前記電源電圧（Ｕａ）及び前記電源電流（Ｉａ）の電源周波数（ｆａ）を、前記幹線周波数（ｆｒ）とは無関係に調整し、前記電力供給装置（１０）のリアクタンスを調整するよう構成され、
前記電力供給装置は、前記整流器（１９）を前記コンバータ（２０）に接続するととともに直流で機能する少なくとも１つの中間回路（２３）をさらに備え、
前記中間回路（２３）は、電気エネルギーを連続的に蓄えるとともに、前記電極（１３）と前記整流器（１９）との間の分離、即ち前記電気ネットワーク（１６）との分離をもたらすよう構成されている、電力供給装置。
【請求項９】
前記変圧器（１５）と、前記変圧器（１５）に接続された前記整流器（１９）と、前記コンバータ（２０）とは、これら全体で電源モジュール（２４）を画定し、
前記電力供給装置（１０）は、互いに並列に接続されるとともに前記電気ネットワーク（１６）及び前記電気アーク炉（１１）に接続された複数の電源モジュール（２４）を備えることができる、請求項８に記載の電力供給装置。
【請求項１０】
前記制御及び命令ユニット（２１）は、少なくとも前記コンバータ（２０）のそれぞれを制御するために前記電源モジュール（２４）の全てに接続されており、前記電極（１３）に電力供給するために、各前記モジュールが、前記電源電圧（Ｕａ）、前記電源電流（Ｉａ）及び前記電気周波数（ｆａ）の値を同じにするように構成されている、請求項９に記載の電力供給装置。
【請求項１１】
前記電極（１３）は、前記電極（１３）を金属材料（Ｍ）に向かう方向及び／又は前記金属材料（Ｍ）から離れる方向に選択的に移動させるよう構成された移動デバイス（１４）上に設置されており、
前記制御及び命令ユニット（２１）は前記移動デバイス（１４）にも接続され、これにより、融解プロセスの異なる工程に関連して前記電極（１３）の位置を調整可能に構成されている、請求項８〜１０の何れか一項に記載の電力供給装置。
【請求項１２】
前記調整デバイス（２２）は、ヒステリシスモジュレータ及びパルス幅変調（ＰＷＭ）モジュレータのうちから選択される、請求項８〜１１の何れか一項に記載の電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気アーク炉のための電力供給方法及び対応する制御装置に関する。
【０００２】
具体的には、本発明は、金属材料を融解させるのに用いられる電気炉の分野で応用される。
【０００３】
本発明の好ましい実施形態は、３段階電気アーク炉を対象としているが、これに限定されるものではない。
【背景技術】
【０００４】
アーク炉の融解サイクルは、通常、以下の作業工程を提供する。
−  通常スクラップである金属材料を、上方から中身を投入するバスケットを用いて又はスクラップ及び／若しくは直接還元鉄（ＤＲＩ）が供給される連続投入用輸送装置を用いて、炉内に投入する。
−  電気アークを発生させる。この工程中、電極は、電極の端部と融解される材料との間に融解電気アークを引き起こすまで、金属材料に向かって下げられる。
−  発生した電気アークによって金属材料の層に穴をあける。この工程中、スクラップの実際の融解によって、金属材料の完全な融合が始まる。
−  融解金属浴を形成する。
−  浴の温度及びスチールの炭素含量を調整するために融解材料を精錬する及び／又は化学成分を添加することでスチールの所望の組成を定める。
−  考え得る排滓の後に、電気炉内に存在する融解材料を出湯（タッピング）する。
【０００５】
投入、電気アーク生成及び穴をあける作業は、１つの融解サイクル中に複数回繰り返すことができる。例えば、炉内への金属材料の１回目のチャージ及びこのチャージ分の融解の後、融解材料の精錬に進む前に、金属材料のさらなるチャージ分を導入し、その後これを融解させる作業を行うことができる。
【０００６】
連続チャージ融解プロセスの場合、上記の融解サイクルは異なり、通常、第１のバスケットを炉に投入し、続いて融解を行って十分な液体ヒールレベルを生成し、続いて融解される材料を連続導入して、出湯すべき所望量を達成する。
【０００７】
穴をあける工程中、電極と金属材料のチャージ分の間の電気アークの挙動は非常に不安定であり、これは融解が進むにつれて徐々に向上する。一方で、このことは、吸収された電力の予期せぬ急激な変化を生じさせ、これは幹線電源ネットワークに対してマイナスの反動を与え、電源ネットワークによって電力供給されるユーザのデバイスにダメージを与える可能性がある。
【０００８】
実際には、穴をあける工程及び融解工程中、回収された未だ融解されていないスクラップが電極の上に崩れる場合があり、これによって短絡状態が生じ、これは、融解作業に有用な有効電力の大幅な減少及び幹線電気ネットワークによって吸収される電流の急激な増大に対応する。
【０００９】
融解が進むにつれて、即ちアークが固体材料から又は泡状の液体（スラグ）から適切に遮蔽されると、電気アークの挙動はより安定化し、このようにしてアークの長さを長くすることができ、したがって融解される材料に伝わる熱パワーも増大する。電圧とアークの長さは、融解プロセスに応じてそして耐熱性が過度に弱まることを防ぐように調整される。
【００１０】
電源ネットワークへの悪影響を抑えるために、少なくとも電極の位置並びに電極に加えられる電圧及び電流のパラメータを連続的に調整することによって、炉に供給される電力を高速で調整することが知られている。
【００１１】
具体的には、電圧及び電流のパラメータ並びに電極の位置が、プロセスの各工程で適切に調整される。
【００１２】
融解される材料に対する電極の位置は、電気アークの長さを決定し、さらに、アークの長さは電流−電圧−インピーダンス間の相互依存に応じたものであることから、アークをサポートするため及びアークの中断を防止するために印加電圧を大きくする必要があり、これによって、力率の低下、したがって性能の低下により穴をあける工程での有効電力が犠牲となり、無効電力が増大することとなる。これに対して、アークが短くなれば電流が増大し、これはアークによって与えられる電力の制御不能な増大を伴うとともに電気炉又はそのアーチ状天井にダメージを与える可能性を伴う。
【００１３】
図１は、３つのバスケットを用いて融解サイクルに供給を行う際に電極に適用される電気パラメータのリファレンス値又は設定ポイント値を概略的に示し、即ちこのサイクルでは、金属材料の第１のバスケットを炉内に投入し、これを融解させ、金属材料の第２のバスケットを投入し、これも融解させ、金属材料の第３のバスケットを投入してこれを融解させ、続いて、得られた液体材料全体を精錬することを含む。
【００１４】
融解サイクル中、電流、電圧及び電力といった電気パラメータは変化し、一方で、電極の電源周波数は変化しないまま、電源周波数と同じままであることに留意することができる。
【００１５】
第１の近似として、電流は等しく、アーク電圧は電極と融解される質量との間の距離に比例する。アークのリファレンス電流に達する所定の機能状態について、特徴的な電源電圧曲線に関して、電極と融解される塊との間の距離を調整することによって安定したアーク状態、即ち時間にわたって電流が一定の状態が達成される。
【００１６】
知られているタイプの電力供給装置は、一般に、マルチタップ式変圧器を備え、マルチタップ式変圧器とは即ち、必要な電力に関連して選択的に設定することができる複数の変換比を有するものである。変圧器は、電源ネットワークによって供給される通常は中圧の電圧を電極に電力供給するのに適した電圧に変換する。
【００１７】
変圧器のタップによって、そして電極の高さの連続的な調整によって所望のインピーダンス／アドミタンスポイントを追うことが可能であり、したがってアーク電圧及びアーク長さを調整して、融解電力を決定することが可能である。
【００１８】
しかしながら、これらの知られているタイプの電力供給装置には、電源ネットワークから得られた電力の瞬間的な吸収の幅広いばらつきに関係する欠点もあり、このようなばらつきは、特に穴をあける工程中にスクラップ金属が崩れることにより生じ、これによって、対応するアーク長がゼロである工程で短絡が生じる。
【００１９】
穴をあける工程中、炉による電力吸収の変動性がある場合、幹線電圧の変動が生じ、所謂フリッカー現象が生じる。融解プロセスは、周波数が同じとして、電流変動に関し、したがって電圧降下に関して大きくばらつく可能性があることから、上記のフリッカー効果を制限するために電気アークを可能な限り安定に保つようにすることが重要である。
【００２０】
安定なアークのために必要な状態を提供するために、システムは、ネットワークの既定の電源周波数について回路が有さなければならない誘導性リアクタンス値を適切に選ぶことで大きさが決められる。設計段階で適切に大きさが決められた全体的リアクタンスは、導体、変圧器及び考え得る追加のリアクタのリアクタンスの総和によって得られる。
【００２１】
電気アーク炉の電力供給システムにおける追加のリアクタは、達成されるべきリアクタンス値に応じて決定される。追加のリアクタによって、有効電力に対する無効電力の制御に介入することができ（実際には、リアクタンスは、回路の電流と電圧との間の位相差を生成して、力率を調整する）、したがってアークの安定性に影響を与えることができる。
【００２２】
従来技術としてはＤＥ３０３５５０８がある。この文献に記載のシステムは、概して、コンバータユニットによって電気アーク炉の電源周波数を変化させる。
【００２３】
本発明の目的の１つは、融解プロセスの効率を高めることができる電気アーク炉のための電力供給方法を完成させることである。
【００２４】
本発明の別の目的は、電気炉の電力変動によって生じる悪影響を減らす又は排除することができる電気アーク炉のための電力供給方法を完成させることである。
【００２５】
本発明の別の目的は、各融解サイクルの時間を短縮できる電気アーク炉のための電力供給方法を完成させることである。
【００２６】
本発明の別の目的は、シンプルかつ経済的な電気アーク炉のための電力供給装置を完成させることである。
【００２７】
本発明の別の目的は、効率が良くかつ各融解サイクルの時間を短縮できる電気アーク炉のための電力供給装置(electric power apparatus)を完成させることである。
【００２８】
本発明の別の目的は、制限されたバルクを有し、同時にプラントを適切に機能させることができるリアクタンス値を達成可能な電気アーク炉のための電力供給装置を完成させることである。
【００２９】
本出願人は、従来技術の欠点を克服するため及び上記の及び他の目的及び利点を得るために、本発明を考案し、試験し、具現化した。
【発明の概要】
【００３０】
本発明は独立請求項において記載され特徴づけられており、従属請求項においては本発明の他の特徴又は主要な発明の思想に対するバリエーションが記載されている。
【００３１】
上記の目的のもと、本発明に係る電気アーク炉のための電力供給方法は以下の工程を有する。
−  電気ネットワークによって、所定幹線周波数の交流の幹線電圧及び交流の幹線電流を供給する工程。
−  前記幹線電圧、前記幹線電流及び前記幹線周波数を、交流のベース電圧、交流のベース電流及びベース周波数に変える工程。ここで、前記ベース電圧及び前記ベース電流は選択的に設定可能であり、前記ベース周波数は前記幹線周波数に実質的に等しいものである。
−  直流電圧及び直流電流を得るために、複数の整流器によって、前記ベース電圧及び前記ベース電流を整流する工程。
−  複数のコンバータによって、前記直流電圧及び前記直流電流を、前記コンバータに接続された制御及び命令ユニットを用いて、選択的に設定可能な交流の電源電圧及び交流の電源電流に変換する工程。
−  前記電源電圧及び前記電源電流を、前記電気アーク炉の複数の電極に供給する工程。
【００３２】
本発明の一態様では、前記電気アーク炉の融解サイクルの各工程中に、前記制御及び命令ユニットに設けられた調整デバイスによって、前記電極の前記電源電圧及び前記電源電流の電源周波数を、前記幹線周波数とは無関係に調整して、これにより、前記電気アーク炉の電力供給装置のリアクタンスを、可能であれば即座に調整する。
【００３３】
電気アーク炉の電源周波数を調整することが可能であることで、アークの安定性を向上させることができ、したがって経時的なエネルギーの移動を向上させることができ、さらに、電気ネットワークにおけるフリッカーの量を低減させることができる。
【００３４】
電源周波数の調整は、リアクタンスの値に、したがって炉への電力供給に関連する力率に直接的なインパクトを与える。そして、アークの安定性、したがって融解される材料へのパワーの移動は、このパラメータと強くリンクしている。
【００３５】
実際、誘導性リアクタンスは以下の関係によって決めることができる。
Ｘｒ＝２×π×ｆ×Ｌ
ここで、Ｘｒは誘導性リアクタンスの値［Ｏｈｍ］であり、
ｆは電源周波数［Ｈｚ］であり、
Ｌはインダクタンスの値［Ｈ］であり、この値は大抵の場合、インダクタ部品のサイズ及び構成幾何学に関係する。
【００３６】
この関係から、誘導性リアクタンスを同じとすれば、電源周波数を大きくすることで、インダクタンスの値を減少させることができ、したがってインダクタ部品の物理的寸法を減少させることができる。インダクタンスの値は、磁心の材料、幾何学、コイルの配置及び巻き数などの様々な因子に依存する物理パラメータである。したがって、ひとたび幾何学及び材料が決まれば、リアクタンス値が同じだと考えると、周波数を大きくすれば、したがってインダクタンスを減少させれば、必然的に空間も削減することができる。したがって、これにより、電力供給装置の据え付けバルクを小さくすることができる。
【００３７】
また、本発明の実施形態は、電気アーク炉のための電力供給装置にも関し、当該電力供給装置は以下の特徴を備える。
−  交流の幹線電圧及び幹線電流を供給するために幹線電気ネットワークに接続された変圧器であって、所定の幹線周波数を有する交流の前記幹線電圧及び前記幹線電流を、前記幹線周波数と等しいベース周波数を有する交流のベース電圧及びベース電流に変えるよう構成された変圧器。
−  前記変圧器に接続され、前記ベース電圧及び前記ベース電流を直流電圧及び直流電流に変えるよう構成された複数の整流器。
−  前記複数の整流器に接続され、前記直流電圧及び前記直流電流を交流の電源電圧及び電源電流に変換するよう構成された複数のコンバータ。このコンバータは、融解用の前記電気アーク炉の電極と、前記コンバータの機能を制御及び命令するよう及び前記電源電圧及び前記電源電流を経時的に調整するよう構成された制御及び命令ユニットと、に接続されている。
【００３８】
本発明の一態様では、前記制御及び命令ユニットは調整デバイスを備え、前記調整デバイスは、前記電気アーク炉の融解サイクルの各工程中に、電力供給装置の電源周波数を、前記幹線周波数とは無関係に調整し、したがって前記電力供給装置のリアクタンスを結果的に変えるよう構成されている。
【００３９】
本発明の上記の及び他の特徴は、図面を参照しながら非限定的な例として示されるいくつかの実施形態に関する以下の記載から明らかとなるであろう。
【００４０】
なお、理解を補助するため、図面では可能な場合同一の共通要素については同じ参照符号を用いている。ある実施形態の要素及び特徴を追加説明なしに他の実施形態に好都合に組み込むことができることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来技術における融解サイクル中に電極に適用される電気パラメータの経時的変化を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電気アーク炉の電力供給装置の概図である。
【図３】本発明の実施形態に係るバスケット投入を伴う融解サイクル中に電極に適用される電気パラメータの経時的変化を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るスクラップの連続投入を伴う融解サイクル中に電極に適用される電気パラメータの経時的変化を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るＤＲＩとも称される直接還元鉄の連続投入を伴う融解サイクル中に電極に適用される電気パラメータの経時的変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の実施形態は、電気アーク炉１１に電力供給するよう構成された、全体的に参照符号１０（図２）で示される電力供給装置に関するものである。
【００４３】
電気炉１１は容器１２又はシェルを備えており、容器１２内に金属材料Ｍが導入されてその後融解される。
【００４４】
金属材料Ｍの投入はバスケットを用いて行うことができ、これは図３を参照して記載するように非連続モードで、あるいは図４及び図５を参照して記載するように連続モードで行われる。
【００４５】
図３及び図４に示すケースでは、スクラップを備える金属材料Ｍを投入する。図５に示す解決手段では、金属材料ＭをＤＲＩの形態で投入する。
【００４６】
また、電気炉１１には、複数の電極１３、図示の例では３つの電極１３が設けられており、これらは金属材料Ｍにわたり電気アークを引き起こして金属材料Ｍを融解させるよう構成されている。
【００４７】
本発明の一部の実施形態では、電極１３は、電極１３を金属材料Ｍに向かう方向及び金属材料Ｍから離れる方向に選択的に移動させるよう構成された移動デバイス１４上に設置されている。
【００４８】
移動デバイス１４は、機械式アクチュエータ、電気式アクチュエータ、空気式アクチュエータ、油圧式アクチュエータ、連結式機構、機械運動、類似及び同等部材、又はこれらの考え得る組み合わせのうち少なくとも１つからなるグループから選択することができる。
【００４９】
本発明の可能な解決手段では、電極１３が３つある場合、各々が、電力供給装置１０のそれぞれの電力位相に関連付けられている。
【００５０】
本発明の実施形態では、電極供給装置１０には、幹線(mains)交流電圧及び幹線交流電流を供給するために電気ネットワーク１６に接続されるとともに、幹線交流電圧及び幹線交流電流をベース交流電圧及びベース交流電流に変えるよう構成された少なくとも１つの変圧器１５が設けられている。
【００５１】
本発明の可能な解決手段では、幹線電気ネットワーク１６は３相とすることができる。
【００５２】
本発明の実施形態では、ネットワーク電圧「Ｕｒ」及びネットワーク電流「Ｉｒ」は、所定の幹線周波数(mains frequency)「ｆｒ」を有する。
【００５３】
可能な解決手段では、幹線周波数「ｆｒ」は５０Ｈｚ及び６０Ｈｚから選択される値であり、即ち炉が設置される国の電気ネットワークの周波数に応じて選択される値である。
【００５４】
本発明の可能な解決手段では、変圧器１５は、少なくとも１つの２次変圧器１８に磁気的に連結された１次変圧器１７を備える。
【００５５】
本発明の可能な解決手段では、変圧器１５は、１次変圧器１７に磁気的に連結された複数の２次変圧器１８を備える。この解決手段によって、擾乱によるネットワーク側へのインパクトを減らすことができ、即ち、調波並びに変圧器１５及び整流器１９の組み合わせによりネットワーク内でやりとりされる無効電力を減少させることができる。
【００５６】
変圧器１５によって供給されるベース電圧及びベース電流は、ベース電圧「Ｕｂ」、ベース電流「Ｉｂ」、ベース周波数「ｆｂ」を有し、これらは変圧器１５自体のデザイン特性によって規定及び設定されている。
【００５７】
特に、ベース周波数「ｆｂ」は、上記の幹線周波数「ｆｒ」と実質的に同じである。
【００５８】
その代わり、ベース電圧「Ｕｂ」及びベース電流「Ｉｂ」は、変圧器１５自体の変換比によって、幹線電圧「Ｕｒ」及び幹線電流「Ｉｒ」にそれぞれ相互に関連付けられる。
【００５９】
例えばマルチタップ式などの変圧器１５は、変圧器１５の電気変換比を具体的な要件との関連で選択的に調整するように設けられた調整デバイス（非図示）を備えることができる。
【００６０】
また、本発明に係る装置１０は、変圧器１５に接続されるとともに交流ベース電圧Ｕｂ及び交流ベース電流Ｉｂを直流電圧及び直流電流に変えるよう構成された複数の整流器１９を備える。
【００６１】
具体的には、整流器１９を用いることで、交流ベース電圧Ｕｂ及び交流ベース電流Ｉｂを直流電圧及び直流電流にそれぞれ整流することができる。
【００６２】
整流器１９は、ダイオードブリッジ及びサイリスタブリッジからなるグループから選択することができる。
【００６３】
可能な解決手段では、整流器１９は、例えばダイオード、ＳＣＲ（シリコン制御整流器）、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＣＴ（集積化ゲート転流型サイリスタ）、ＭＣＴ（金属−酸化物−半導体制御サイリスタ）、ＢＪＴ（バイポーラジャンクショントランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属−酸化物−半導体接合電界効果トランジスタ）及びＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）からなるグループから選択されるデバイスを備える。
【００６４】
本発明のさらなる態様では、装置１０には、整流器１９に接続されるとともに、電極１３に電力供給するために直流電圧及び直流電流を交流電源電圧及び交流電源電流に変換するよう構成された複数のコンバータ２０が設けられている。
【００６５】
可能な解決手段では、コンバータ２０は、例えばダイオード、ＳＣＲ（シリコン制御整流器）、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＣＴ（集積化ゲート転流型サイリスタ）、ＭＣＴ（金属−酸化物−半導体制御サイリスタ）、ＢＪＴ（バイポーラジャンクショントランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属−酸化物−半導体接合電界効果トランジスタ）及びＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）からなるグループから選択されるデバイスを備える。
【００６６】
コンバータ２０は、融解炉１１の電極１３と制御及び命令ユニット２１とに接続されており、制御及び命令ユニット２１は、コンバータ２０の機能を制御及び命令するとともに、電極１３への交流電力供給を経時的に調整するよう構成されている。
【００６７】
具体的には、制御及び命令ユニット２１は、上記交流電源電圧及び上記交流電源電流のパラメータを選択的に設定するように上記コンバータ２０を制御する。
【００６８】
本発明の一態様では、制御及び命令ユニット２１は調整デバイス２２を備え、調整デバイス２２は、交流電源電圧及び交流電源電流の電源周波数「ｆａ」を調整するとともに、電極の電源回路のリアクタンス値を同時に変えるよう構成されている。
【００６９】
具体的には、電源電圧及び電源電流は、用いられる融解電力に関連して選択的に調整される電源電圧Ｕａ及び電源電流Ｉａを有する。
【００７０】
本発明の可能な解決手段では、調整デバイス２２は、一例でしかないが、ヒステリシスモジュレータ又はＰＷＭ（パルス幅変調）モジュレータを備えることができる。
【００７１】
これらのタイプのモジュレータを用いて整流器１９及びコンバータ２０の半導体デバイスに命令することができる。適切に制御されたモジュレータは、電極１３を作動させるための電圧値又は電流値を生成することができる。具体的には、モジュレータは、電圧値及び電流値を処理して、少なくとも整流器１９及びコンバータ２０の駆動命令を生成し、制御に必要な電圧及び電流の量が電極１３に対する接続クランプにおいて存在するように構成されている。実際に得られる電圧及び電流(voltages and currents to be actuated)は、処理によって読み取られた量に基づき及び処理モデルに基づき制御及び命令ユニットによって実行される動作の結果として得られるものである。
【００７２】
本発明によれば、整流器１９は、直流で機能する少なくとも１つの中間回路２３を用いてコンバータ２０に接続することができる。
【００７３】
中間回路２３は、電気エネルギーを連続的に蓄えるとともに、電極１３と整流器１９との間の分離、即ち電気ネットワーク１６との分離をもたらすよう構成されている。
【００７４】
具体的には、プロセスから生じる高速の電力変動が中間回路２３を介して部分的にフィルタ処理されることで、これらによる電気ネットワーク１６側へのインパクトが減少する。
【００７５】
また、制御及び命令ユニット２１は、コンバータ２０により生成され電極１３に供給される電源電圧Ｕａ及び電源電流Ｉａのパラメータを調整するように構成することもできる。
【００７６】
本発明の実施形態では、制御及び命令ユニット２１はさらに移動デバイス１４にも接続され、これにより、融解プロセスの異なる工程に関連して電極１３の位置を調整することができる。
【００７７】
具体的には、電極１３は、材料の位置を追うために、したがってアークの長さを変更するために、移動デバイス１４によって移動される。
【００７８】
このようにして、制御及び命令ユニット２１は、プロセスの特定の工程に関連して、少なくとも、電源電圧Ｕａ、電源電流Ｉａ、電源周波数「ｆａ」及び電極１３の位置といったパラメータを制御及び命令することができる。各種パラメータの制御の高実現性により、プロセスへのエネルギーの移動を最適化することができ、同時に、炉側における電力の高速な変動による電気ネットワーク１６への影響を抑えることができる。
【００７９】
可能な解決手段では、変圧器と、変圧器１５に接続された整流器１９と、コンバータ２０とは、共に電源モジュール２４を画定する。
【００８０】
本発明の可能な実施形態では、装置１０は、互いに並列に接続されるとともに電気ネットワーク１６及び電気炉１１に接続された複数の電源モジュール２４を備えることができる。
【００８１】
複数の電源モジュール２４の組み合わせによって、電源供給される電気炉１１の具体的なサイズに応じてサイズを拡大縮小できる装置１０を得ることができる。
【００８２】
可能な解決手段では、制御及び命令ユニット２１は、少なくともコンバータ２０のそれぞれを制御するために全ての電源モジュール２４に接続されており、各モジュールが、同じ電源電圧Ｕａ、電源電流Ｉａ及び電源周波数「ｆａ」の値を電極１３に供給するように構成されている。このようにして、システム全体の機能不良を防止することが可能となる。
【００８３】
可能な解決手段では、装置１０は、当該装置の所望総リアクタンスを得るように構成されたインダクタを備えることができる。
【００８４】
インダクタ２５は、コンバータ２０の下流に接続することができるとともに、所望の総等価リアクタンスを達成するサイズを有することができる。このようにして、インダクタ２５の寄与によって及びシステムを炉に接続する導体によって導入されるリアクタンスによって与えられる総リアクタンスを得ることが可能となる。
【００８５】
通常、インダクタンスは、ひとたびコンポーネントが構築されると変更することができない（設計）パラメータである。
【００８６】
インダクタンスが同じだとして、（例えば幹線の５０Ｈｚに対して）周波数を変更することで、回路内のコンポーネントによって想定されるリアクタンス値を変えることが可能となり、したがって所望の総等価リアクタンス値を達成することが可能となる。
【００８７】
可能な解決手段（図３〜図５）では、融解サイクルは、金属材料に穴をあける工程を少なくとも１つと、融解させる工程と、を有する。
【００８８】
可能な実施形態（図３及び図４）では、融解サイクルは、融解材料を精錬する工程をさらに有する。
【００８９】
具体的には、穴をあける工程中に、電気アークを引き起こして金属材料Ｍの融解を開始するために、電極１３が、投入された固体金属材料Ｍに近づけられる。金属材料Ｍを漸進的に融解させるために、金属材料Ｍが徐々に融解するにつれて、電極１３が金属材料Ｍにおける依然として固体の部分を貫通する。電極１３が容器１２内部の位置に到達すると、電極１３の周囲の残っている金属材料Ｍが実際に融解し始める。
【００９０】
可能な解決手段（図３）では、穴をあける工程及び融解させる工程は、精錬する工程の前に複数回繰り返すことができ、これらの工程の間に、電気炉１１内にさらなる金属材料Ｍを投入する工程を有する。
【００９１】
例えば図３を参照すると、金属材料を投入し、金属チャージ分に電極を用いて穴を開け、これを融解させる。この動作シーケンスは３回繰り返され、各回において金属材料Ｍの各投入が行われる。
【００９２】
図４及び図５に示す解決手段では、穴をあける工程の前に開始され、炉が完全に満たされるまで続き、そして金属材料を融解させる工程中にも続く、実質的に連続的な投入を行う。
【００９３】
本発明の可能な解決手段では、電源周波数「ｆａ」は、穴をあける工程では第１の値ｆ１を少なくとも有し、融解させる工程では第１の値ｆ１よりも小さい第２の値ｆ２を少なくとも有するように、電源周波数「ｆａ」は融解プロセス中に変化する。
【００９４】
可能な解決手段では、精錬する工程（図３及び図４）では、電源周波数「ｆａ」は、第２の値ｆ２よりも小さい第３の値ｆ３を少なくとも有する。
【００９５】
特に、「１つの値を少なくとも有する」のような表現は、その都度に電源周波数がとる値は、どのような場合でも常に、前の工程でとった値よりも低いか高いかのどちらかであることを意味する。可能な解決手段では、第１の値ｆ１は幹線周波数「ｆｒ」よりも高い値である。
【００９６】
可能な解決手段では、穴をあける工程中、電源周波数は、ある時間にわたって、幹線周波数「ｆｒ」よりも常に高い複数の第１の値ｆ１をとることができる。
【００９７】
可能な解決手段では、融解させる工程において、電源周波数「ｆａ」は、上記第１の値ｆ１よりも低い複数の上記第２の値ｆ２をとることができる。
【００９８】
可能な解決手段では、精錬する工程において、電源周波数「ｆａ」は、上記第２の値ｆ２よりも低い複数の上記第３の値ｆ３をとることができる。
【００９９】
具体的には、例えばフィードバック制御を用いることで、制御により、上記の第１の値ｆ１、第２の値ｆ２及び第３の値ｆ３は時間と共に連続的に可変とすることができる。
【０１００】
可能な解決手段では、上記の第１の値ｆ１は、幹線周波数「ｆｒ」よりも少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％高い。
【０１０１】
周波数を調整すること、例えば周波数を幹線周波数「ｆｒ」に対して高めることが可能であることで、総等価リアクタンスを増大させることができ、穴をあける工程においてアークの安定性を向上させることができる。
【０１０２】
周波数を調整すること、例えば周波数を低くすることが可能であることで、例えば表皮効果などにより導体において生じる損失を減少させることができ、したがってシステムの効率を高めることができる。
【０１０３】
本発明のさらなる解決手段では、融解させる工程中の電源周波数「ｆａ」の第２の値ｆ２は、幹線周波数「ｆｒ」の０．９倍から１．１倍の間で可変である。
【０１０４】
実際には、融解させる工程中、電極１３に供給される電力は増大する。制御及び命令ユニット２１によって、有効電力を大きくするように電源電圧Ｕａ及び電源電流Ｉａリファレンスが変更されるが、これは、アークがその頃には覆われておりかつ炉のアーチ状天井(vault)から離れていると推定されるからである。したがって、アーチ状天井にダメージを与えるリスクを回避することができる。この工程において、アークは、スクラップ又はスラグによって保護されているので、より安定している。
【０１０５】
本発明のさらなる解決手段では、精錬する工程中の電源周波数「ｆａ」の第３の値ｆ３は、幹線周波数ｆｒの０．３倍から０．５倍の間である。実際には、精錬する工程中、プロセスはより一層安定しており、より少ない電力しか必要としない。したがって、総等価リアクタンスが減少しても、周波数を低くして十分な安定性を保証することが可能である。
【０１０６】
したがって、本発明により、ひとたびオペレータが電気炉１１の作業ポイントを電力、電圧、電流及び力率に関して決定したならば、制御及び命令ユニット２１は電源周波数「ｆａ」によって連続的に行われる調整も用いてその作業ポイントに従おうとする。
【０１０７】
したがって、本発明により、プロセスの異なる工程中に周波数を調整することで、各工程において電気パラメータを最適化することが可能である。まず第１に、インダクタンスのサイズ（したがってコスト）を含めることが可能であり、これを精錬工程において考え得る最良のかたちで用いることができる。
【０１０８】
また、コンバータに採用される電気的トポロジーを用いることで、融解プロセスによって生じる擾乱から電気ネットワークを保護すること（フリッカー低減、調和性、力率など）が可能であり、同時に、全工程においてアークの安定性を保証することができる。
【０１０９】
さらに、電極の電源周波数を幹線周波数に対して変更可能なことで、制限された空間／コストの条件にインダクタ部品の大きさを合わせることがより簡単となり、導体の利用が改善され、これにより抵抗が減少し、したがってシステムの損失が減少する。
【０１１０】
アークのインピーダンスが同じだとすると、周波数を大きくすることで誘導リアクタンスが増大し、負荷についての等価力率は小さくなり、これによってアークの安定性が向上し（例えばスクラップがまだ融解されておらずアークがそれほど保護されていない時に有用である）、アークの中断が防止される。
【０１１１】
本明細書に記載した電気アーク炉１１のための電力供給方法及び対応する装置１０に対し、本発明の分野及び範囲から逸脱することなく、部分的な変更及び／又は追加を行なってもよいことは明らかである。
【０１１２】
また、本発明について一部の具体例を参照して記載したが、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された特徴を有し故に全てが特許請求の範囲に記載の保護範囲内となる、電気アーク炉１１のための電力供給方法及び対応する装置１０の多数の他の等価の形態を、無論達成可能であろうことも明らかである。
【０１１３】
特許請求の範囲において、カッコ内の参照符号は理解を深めることだけを目的としており、特定の特許請求の範囲に記載の保護範囲に関する限定をするものであると考えてはならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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