(57)【要約】【課題】ＡＣアーク炉用の電力制御システムを提供する。【解決手段】この制御システムは、炉電源と高さ調節可能な電極との中間に配置された可変リアクトルを有する。制御システムは、炉の有効電力消費量を示す炉の動作特性を監視するとともに、可変リアクトルおよび電極高さを調整することにより、有効電力消費量の変動を最小限に抑える。電極アークの損失は、予測可能であり、電極を下降させて可変リアクトルのリアクタンスを下げることにより対応できる。【選択図】図２
2004526281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク電極に電力を供給するためのＡＣ電源を有するＡＣアーク炉用の電力制御システムであって、
電源と電極との中間に設けられた可変リアクタンスと、
電極のインピーダンスを監視するとともに、監視された電極インピーダンスの変化に応じて可変リアクタンスを変化させることにより、電極に供給される有効電力の変動を低減する可変リアクトルコントローラ
を含むことを特徴とする電力制御システム。
【請求項２】
可変リアクトルコントローラが、監視された電極インピーダンスに応じて、結果的に電極によって引き出される所定の電力となる可変リアクトルのリアクタンス値を周期的に決定するとともに、可変リアクタンスを決定されたリアクタンス値に調整するように構成される、請求項１に記載の電力制御システム。
【請求項３】
引き出される所定の電力が、公知の量のワーク材料を処理するために炉によって必要とされる電力の量の決定に基づく、請求項２に記載の電力制御システム。
【請求項４】
可変リアクトルコントローラが、リアクタンス値を決定するとともに、必要ならば、ＡＣパワーサイクル毎に少なくとも１回、決定されたリアクタンス値と一致するように可変リアクタンスを調整するように構成される、請求項２に記載の電力制御システム。
【請求項５】
可変リアクトルコントローラが、リアクタンス値を決定するとともに、必要ならば、半ＡＣパワーサイクル毎に少なくとも１回、決定されたリアクタンス値と一致するように可変リアクタンスを調整するように構成される、請求項２に記載の電力制御システム。
【請求項６】
可変リアクタンスが、サイリスタ制御されるインダクタを含む、請求項１に記載の電力制御システム。
【請求項７】
電源と電極との中間に設けられた固定リアクトルを含む、請求項６に記載の電力制御システム。
【請求項８】
電極を昇降させることにより形成されるアークの長さを制御する電極移動装置と、
電極移動装置の動作を制御するとともに、炉の動作特性を監視して、監視された動作特性に基づいて電極の移動を制御する複数の異なる作動モードから選択するように構成される自動電極位置コントローラ
を含む、請求項１に記載の電力制御システム。
【請求項９】
電極位置コントローラが、監視された動作特性を、電極がワーク材料から大きく上側に離れて配置される異常状態を示す所定の値と比較するとともに、比較結果がそのような異常状態の兆候を示す場合に、電極高さを調整して異常状態を解消する、請求項８に記載の電力制御システム。
【請求項１０】
電極位置コントローラが、電極によって形成されるアークの長さを周期的に計算するとともに、計算されたアークの長さを超えて電極が移動すると判断した場合に、電極移動装置を介して電極の移動速度を下げる、請求項８に記載の電力制御システム。
【請求項１１】
電極の高さを調整する電極移動装置と、
電極で起こりうるアーク損失の兆候を予測するとともに、アーク損失が予測されると、電極移動装置を介して電極を急速に下降させ、可変リアクトルコントローラを介して可変リアクタンスの大きさを一時的に下げる電極位置コントローラ
を含む、請求項１に記載の電力制御システム。
【請求項１２】
３つの各アーク電極に三相電力を供給するための三相ＡＣ電源と、電源の各位相と３つの電極との中間に接続された可変リアクタンスとを有するアーク炉を制御する方法であって、
ａ）３つの各位相毎に、各電極インピーダンスを監視するステップと、
ｂ）可変リアクタンスのインダクタンスを調整して、各電極インピーダンスの変化を補償することにより、電源から引き出される電力の変動を低減するステップ
を有することを特徴とする方法。
【請求項１３】
ステップ（ｂ）が、各電力位相毎に、各電極インピーダンスの変化を考慮して所定の電力消費量レベルを維持するために必要なインダクタンスを決定し、これにより、各可変リアクタンスを調整することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ステップ（ａ）および（ｂ）が、各電力位相で、ＡＣ電力位相周期毎に少なくとも１回行なわれる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
ｃ）各電極電流を監視して、監視された電流が各電極におけるアーク損失の前兆となる特徴を示しているか否かを判断し、そのような特徴を示している場合には、各電極を下降させて、各可変リアクトルのインダクタンスを下げるステップを有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
アーク炉が３つの各電極対に対して三相電力を供給し、可変リアクタンスが、電源の各位相と３つの電極対との中間に接続され、各電極インピーダンスが各電極対のインピーダンスである請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
ａ）三相電源と、
ｂ）三相電源の各位相に接続された３つの可変リアクタンスと、
ｃ）一次巻線および二次巻線と、変圧比率を調整するためのタップとを有し、一次巻線が３つの可変リアクタンスに接続される炉変圧器と、
ｄ）二次巻線に接続された３つのアーク電極と、
ｅ）ワーク材料を受けるための炉容器であって、容器内には容器から離間して電極のアーク端部が配置され、電源から電極へ電力を供給することにより、ワーク材料を処理するためのアークがそれぞれ各電極から発生する炉容器と、
ｆ）炉容器に対する電極の高さを調整するための電極移動装置と、
ｇ）
ｉ）炉の予想電力消費量を所定の電力消費量に一致させるように変圧器のタップを設定し、
ｉｉ）炉の有効電力消費量を示す炉の動作特性を監視して、可変リアクトルおよび電極高さを調整し、所定の電力消費量に対する有効電力消費量の変化を最小限に抑える、
電力制御システム
を有することを特徴とするＡＣアーク炉。
【請求項１８】
可変リアクトルが、各ＡＣ電力位相周期毎に少なくとも１回調整される、請求項１７に記載のアーク炉。
【請求項１９】
炉変圧器が３つの単相変圧器を含み、各単相変圧器が、３つの可変リアクタンスのうちの１つに接続された一次巻線を有し、かつ、各単相変圧器の二次巻線に接続された一対のアーク電極を含む、請求項１７に記載のアーク炉。
【請求項２０】
アーク電極に電力を供給するためのＡＣ電源を有するＡＣアーク炉用の電力制御システムであって、
電極の高さを調整して電極のアーク長を制御するアーク電極移動装置と、
電極移動装置の動作を制御するとともに、アーク炉の動作特性を監視して複数の異常状態の兆候を予測し、また、特定の予測された異常状態に応じて電極高さを調整する電極位置コントローラ
を含むことを特徴とする電力制御システム。
【請求項２１】
電極位置コントローラが、電極の移動およびアーク長を監視し、かつ、そのアーク長を超えて電極が移動する又は移動したと判断すると、電極移動装置を介して電極の移動速度を下げるように構成される、請求項２０に記載の電力制御システム。
【請求項２２】
電極位置コントローラが、電極のインピーダンスを監視するとともに、監視されたインピーダンスが閾値から所定量変化した異常状態を検出し、監視されたインピーダンスが閾値の所定の範囲内に調整されるように電極高さを調整するように構成される、請求項２０に記載の電力制御システム。
【請求項２３】
炉が、３つの各電極に電力を供給するための三相電源を有し、電極が、アーク電極移動装置によって個別に移動可能であり、電極位置コントローラが、各電力位相毎に各電極のインピーダンスを監視するとともに、電極のインピーダンスを所定のレベルに調整できるように各電力位相毎に各電極を個別に移動させるように構成される、請求項２２に記載の電力制御システム。
【請求項２４】
電極位置コントローラが、監視された動作特性が、電極が炉内のワーク材料から大きく上側に離れて配置されていることを示す場合に、異なる異常状態を検出し、電極の高さを許容可能なレベルまで下降調整する、請求項２２に記載の電力制御システム。
【請求項２５】
炉が、アーク電極移動装置によって移動可能な３つの各電極に電力を供給するための三相電源を有し、電極位置コントローラが、各電極の電流を監視するとともに、監視された電極電流間の差が所定の閾値を超える際に異なる異常状態を検出し、監視された電極間の差が所定の範囲内となるように電極の高さを調整するように構成される、請求項２２に記載の電力制御システム。
【請求項２６】
アーク電極に電力を供給するためのＡＣ電源と、電源と電極との中間に接続された可変リアクタンスと、炉容器に対する電極の高さを調整するための電極移動システムとを有するアーク炉を制御するための方法であって、
ａ）電極に供給される電流を監視するステップと、
ｂ）監視された電流が電極における電離損失を生じる兆候を示しているか否かを判断し、その兆候を示している場合には、電極を下降させて、可変リアクタンスを下げるステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】
ｃ）ステップ（ｂ）の後に、可変リアクタンスの値を上げて、電極の電離が回復した際の実際的な電力の変動を低減するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
ステップｂ）が、監視された電流の大きさが所定の速度閾値を超える速度で減少し、監視された電流の大きさが所定の値を下回った場合に、電離損失の兆候を予測することを含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にアーク炉に関し、特に、そのような炉の電力を制御するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電流（ＡＣ）アーク炉は、一般に、金属や鉱石含有材料のような固体材料を溶融または精錬するために使用される。そのような炉は、一般に、耐熱性の裏打ちした容器内で熱エネルギを発生するために高出力アークを使用するとともに、アークに供給される電気エネルギを制御するための給電装置を有する。高出力アークは、非線形の経時的に変化するインピーダンスとして挙動するエネルギ変換機構である。その結果、アーク炉によって引き出される電圧、電流、電力は、変動し易く、溶融／精錬プロセスの乱れおよび供給ネットワークの乱れを引き起こす。これらの乱れにより、効率が悪くなるとともに、装置の磨耗が大きくなり、極端な場合には供給ネットワークまたはアーク炉が破損してしまう。
【０００３】
アーク炉の給電を調節するために、様々な試みがなされてきた。例えば、いくつかのアーク炉の場合、固定直列リアクトルを使用してアークの安定性を適度に高めてきた。短絡接続されたサイリスタ切換え式のレジスタバンクからなる静的ワット補償器（ＳＷＣ）を使用して負荷遮断を軽減してきた。アーク電極移動を制御する電極調節器を使用して、アーク電極の相対位置を調整し、設定電極電圧、設定電極電流、設定電極インピーダンスを維持してきた。
【０００４】
いくつかの制御システムは、主に、アーク炉の電圧を安定化させることを目的としてきた。例えば、静的ＶＡＲ補償器（ＳＶＣ）は、協働して電圧フリッカを下げるように、あるいは、一定の炉電力因子を維持するように動作する、短絡接続された調和フィルタバンクと、短絡接続されたサイリスタ制御のリアクトルとからなる。ＳＶＣは、容量性または誘導性の無効電力のシャント・インジェクションによって動作することにより、釣り合わされた炉の全無効電力引き出し（ＭＶＡＲ）をほぼ０に維持して電圧を一定に維持する（すなわち誘導性でも容量性でもない）。
【０００５】
他の制御システムは、主に、ア−ク炉の電流を安定化させることを目的としてきた。例えば、１９９３年８月２４日にＧｅｎｓｉｎｉらに対して発行された米国特許第５，２３９，５５４号は、直列接続された飽和可能リアクトルまたは直列接続されたサイリスタ切換え式リアクトルからなる制御された直列リアクタンスを使用することによりアーク電流を調整することを開示している。１９９９年１１月２３日にＫｏｊｏｒｉに対して発行された米国特許第５，９９１，３２７号は、アークに直列に取り付けられたサイリスタアセンブリをゲートコントロールして電圧フリッカを引き起こす電流の振れを抑えるための予測ソフトウエアを使用するコントローラを開示している。
【０００６】
電力は、電圧と電流との積（Ｐ＝Ｖｒｍｓ＊Ｉｒｍｓ＊力率）であるため、電流または電圧を安定化させるように動作するアーク炉給電により、アーク炉から引き出される電力が大きく変動するおそれがある。大きな炉においては、引き出される有効電力が短時間で数十メガワット（ＭＷ）変化する可能性がある。世界中の多くの工業用地では、孤立した発電所（ユーティリティーグリッドから孤立した）が比較的大きなアーク炉に電力を供給する。炉電力の変動により、例えば蒸気タービン、ディーゼルピストン、水力タービン等の回転発生装置で周波数／速度変動が生じる。発電装置は、機械的な損傷を伴うことなく吸収することができる周波数変動の上限および下限を有している。そのような限界を超えると、機械的および電気的な破損が生じる可能性がある。また、差し迫った損傷が生じない場合であっても、現在の電力および周波数の変動によって、発電装置で摩損が大きくなる。今日まで、これらの周波数の振れは、水や蒸気を解放するためのバイパス弁を発電所に取り付ける（水力タービンまたは蒸気タービンの場合）とともに、別個の回転慣性を加えて周波数の振れを抑え、発電所を特大サイズにすることにより、補償されてきた。このような解決策は、費用がかかる傾向にあり、効率が悪い。
【０００７】
炉の電力が安定的に一定していると、電力を供給材料に正確に釣り合わせることができ、これにより、熱伝達効率がよくなって炉のエネルギ効率が最大になり、その結果、炉のスループットレベルを容易に高めることができる。したがって、炉に使用できる効率的で費用効果が高い電力制御システムが必要である。また、アーク炉での電力の大きさ及び周波数の変動を低減する電力制御システムに対する必要性もある。
【特許文献１】
米国特許第５，２３９，５５４号
【特許文献２】
米国特許第５，９９１，３２７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明において、アーク炉用の電力制御システムは、可変リアクトル制御および電極高さ調整を使用して、アーク炉で使用される電力を調整することにより、有効電力変動を低減する。一般に、本発明のアーク炉制御システムは、炉電力設定値と一致するように炉変圧器電圧タップを選択することにより、可変リアクトルを調整してサイクル毎のベースで電力の変動を調節し、電極インピーダンスの変動に対応することにより、予測的な電極高さ調整による電力の降下・上昇を軽減することにより動作する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の一つの態様によれば、アーク電極に電力を供給するためのＡＣ電源を有するＡＣアーク炉用の電力制御システムであって、電源と電極との中間に設けられた可変リアクタンスと、電極のインピーダンスを監視するとともに、監視された電極インピーダンスの変化に応じて可変リアクタンスを変化させることにより、電極に供給される有効電力の変動を低減する可変リアクトルコントローラとを有している電力制御システムが提供される。電力制御システムは、電極の高さを調整する電極移動装置と、電極におけるアーク損失の起こり得る兆候を予測するように構成された電極位置コントローラとを有していることが好ましい。アーク損失が予測されると、電極位置コントローラは、電極移動装置により電極を急速に下降させ、可変リアクトルコントローラにより可変リアクタンスの大きさを一時的に下げる。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、アーク電極に電力を供給するためのＡＣ電源を有するＡＣアーク炉用の電力制御システムであって、電極の高さを調整して電極のアーク長を制御するアーク電極移動装置と、電極移動装置の動作を制御するとともに、アーク炉の動作特性を監視して複数の異常状態の兆候を予測し、かつ、特定の予測された異常状態に応じて電極高さを調整する電極位置コントローラとを有する電力制御システムが提供される。
【００１１】
本発明の別の態様および特徴は、添付図面を参照しながら、本発明の特定の実施態様に関する以下の説明を考察することにより、当業者にとって明らかとなるであろう。
【実施例１】
【００１２】
図１を参照すると、典型的な３電極ＡＣアーク炉が示されている。炉には、ローカル給電バス１０を介して、三相の電力が供給される。給電バス１０は、ローカル発電所からの電力を受けるように接続されているが、あるいは、外部電源に接続されていてもよい。炉は３つの電極１２を有していて、各電極は、３つある電力の位相のうちの１つに対応付けられている。電極１２は、タップ付き炉変圧器１４の炉側（二次巻線）に接続されている。直列に組み合わされた可変リアクトル１６および固定リアクトル１８は、炉変圧器１４の給電側（一次巻線）の各位相を、給電バス１０の対応するラインに接続する。例示の実施態様において、各可変リアクトル１６はインダクタ２０を有しており、このインダクタ２０は、直列に組み合わされたインダクタ２３およびサイリスタスイッチ２２に対して並列に接続されている。各サイリスタスイッチ２２は、極性が互いに反対に配置された一対のサイリスタを有していることが好ましい。電極１２のアーク放電端部は、ワーク材料を溶融または精錬するために、炉容器２４内に位置されている。好ましくは、電極１２は、その高さを調整できるように取り付けられている。当該技術において知られているように、アーク放電処理およびサイリスタ切換え操作の結果として生じる高調波歪みを除去するため、給電バス１０には調和フィルタバンク２６が接続されている。本明細書において、用語「リアクタ」および「インダクタ」が置き換え可能に使用されている。図面の全体にわたって、同じ構成要素を示すために同じ参照符号が使用されている。
【００１３】
アーク炉では、溶融（鉄材料）または精錬（非鉄材料）のいずれかに使用される電気的なアークエネルギを効率的に伝えることが必要である。これは、材料の供給パターンまたは材料供給量をアーク電力に対して釣り合わせることにより炉内で達成される。釣り合いをうまくとり、電力損失を低くしてエネルギ効率を高めることにより、エネルギの大部分を溶融または精錬に使用することができる。一般に、アーク炉は、材料供給量と合致する所望の電力設定値を入力するオペレータまたは監視コンピュータを必要とする。既存の制御方法を使用する従来のアーク炉において、実際の電力消費量は、所望の電力設定値を中心に大きく変動し得る。本発明の電力供給は、アーク炉によって使用される有効電力を安定させることにより、アーク電力と材料供給量とのバランスを向上させるか、あるいは、バッチプロセスの場合には、アークから充填材料への熱伝達を最大にするように機能する。
【００１４】
図２に関してみると、１つの電極１２に関するアーク炉の給電制御システムが示されている。本発明の制御システムは、アーク炉の３つの態様、すなわち、可変リアクトル１６の値、変圧器１４のタップ位置、電極１２の高さ調整を制御することが好ましい。
【００１５】
まず最初に、炉変圧器１４のタップ位置の制御について述べると、給電制御システムは、入力された所望の電力設定値に基づいてタップ位置を設定するタップ設定コントローラ４６を有していることが好ましい。特に、タップ位置は、アーク炉の所定の特徴に基づいて適切な電圧が電極に供給されて、実際の電力消費量と電力設定値とが大まかに合致するように設定される。作動時、タップ設定コントローラ４６は、以下のステップを行なうことが好ましい：
（ａ）必要な作動電圧を計算し；
（ｂ）各タップに対応する所定の（すなわち、ネームプレート）電圧値に基づいて適切な変圧器電圧タップを計算し；
（ｃ）変圧器タップを、計算されたタップに移動させる（負荷時または無負荷時のいずれか）。
タップ設定コントローラ４６は、タップ切換器の移動が過度にならないようにするチェックルーチンを有していてもよい。典型的に、タップ設定コントローラは、必要な作動電圧を決定するために、所望の電極電流または所望の電極インピーダンスの入力を必要とする。３電極アーク炉の場合、所望の電力設定値に加えて所望の電極電流が供給されると、以下の方程式にしたがって作動電圧を決定することができる：
Ａ＝Ｉ２Ｘｐ２／（Ｖｐ４）
Ｂ＝２Ｉ２ＸｐＸｓ／（Ｖｐ２）−１
Ｃ＝Ｐ２／（９Ｉ２）＋Ｉ２Ｘｓ２
【００１６】
【数１】
2004526281.tif 000003
【００１７】
式中、
Ｖ＝必要な作動電圧（炉変圧器の二次線間電圧）
Ｉ＝所望の電極電流（炉変圧器二次位相電流）
Ｘｐ＝炉変圧器リアクタンスを含む、炉変圧器から無限バスまでの全一次リアクタンス
Ｘｓ＝炉変圧器から炉容器内の溶融槽までのシステムの全二次リアクタンス
Ｐ＝所望の電力設定値
Ｖｐ＝公称一次線間電圧
電極電流Ｉの代わりに所望の電極インピーダンスＺが与えられると、３電極炉の場合、以下のように電極電流Ｉを決定することができる：
【００１８】
【数２】
2004526281.tif 000004
【００１９】
その後、式（１）を使用して、必要な作動電圧を決定する。
【００２０】
例示の実施態様において、タップ設定コントローラ４６は、新たな所望の電力設定値または新たな所望の電極電流あるいはインピーダンスを受けると、変圧器１４の３つのすべての位相を同時に制御する。所望の電力設定値は、一般に、オペレータまたは監視コンピュータによって入力される値であり、必要に応じて、炉へと供給されて炉を通過する材料の流量により、生産工程の全体にわたってオペレータまたは監視コンピュータによって変更される。実際の電力消費量が所望の電力設定値に対してうまく釣り合うほど、概してオペレータまたは監視コンピュータによる電力設定値の微調整の必要性がなくなる。
【００２１】
次に、可変リアクトルの制御について述べると、図２に示されるように、可変リアクトル制御システムは、３つの各位相毎に、可変リアクトル１６の給電側の電圧を測定するための第１の変圧器３０と、可変リアクトルの炉側の電圧を測定するための第２の変圧器３２と、変圧器１４へと流れる主電流を測定するための変流器３４と、リアクトルコントローラ２８とを有していることが好ましい。リアクトルコントローラ２８は、第１および第２の変圧器３０、３２、変流器３４、所望の電力設定ライン３６から情報を受けるとともに、そのような情報に関して行われる計算に基づいて可変リアクトル１６を制御する。本実施態様において、３つの各可変リアクトル１６は、本明細書で説明するリアクトルコントローラ２８の機能が各位相毎に個別に果たされるという点で、互いに殆ど関係なく制御される。以下、リアクトルコントローラ２８による３つの可変リアクトル１６のうちの１つの制御について説明する。他の２つの位相に対応する可変リアクトルも同様の方法で制御される。
【００２２】
リアクトルコントローラ２８は、サイリスタ２２のファイヤリング角度を調整して可変リアクトル１６のリアクタンスを制御し、それによりインダクタ２０を流れる電流を増減する。リアクトルコントローラ２８は、第１および第２の変圧器３０、３２と変流器３４とから得られる現在の電流および電圧の読みに基づいて、サイリスタをゲートコントロールしてリアクタンスを変化させることにより、アークインピーダンス変動の存在下で、所望の電力設定値を中心とするアーク炉内の電力の変動を調整する。サイリスタゲートは、各ＡＣ電源電圧半周期中に少なくても１回周期的に調整されることが好ましい。図２に示されるように、リアクトルコントローラ２８は、可変リアクトル１６の下流側（すなわち、炉側）のインピーダンスを測定する下流側インピーダンス計算モジュール３８を有している。特に、インピーダンス計算モジュール３８は、炉変圧器１４の給電側を流れる一次電流を示す入力を変流器３４から受けるとともに、可変リアクトルの炉側の電圧波形を示す入力を変圧器３２から受ける。インピーダンス計算モジュール３８は、これらの電流測定値および電圧測定値に基づいて、可変リアクトルの炉側の抵抗（ＲＬ）およびリアクタンス（ＸＬ）を決定して、これらの値を所要リアクタンス計算モジュール４０に出力する。炉側の抵抗（ＲＬ）およびリアクタンス（ＸＬ）の変化は、精錬または溶融プロセス中に生じる電極インピーダンスの変化を示している。また、リアクタンス計算モジュール４０は、可変リアクトル１６の給電側の電圧（Ｖ）を示す信号を変圧器３０から入力として受けるとともに、設定値入力ライン３６から得られる位相毎の所望の電力設定値（Ｐｏ）を入力として受ける。リアクタンス計算モジュール４０は、これらの入力に基づいて、実際の炉電力が所望の炉電力設定値を辿るように可変リアクトルがとるべき所要リアクタンス値（ＸＲＥＱ）を決定する。例示の実施態様において、アーク抵抗変動の存在下で電力設定値（Ｐｏ）を維持するために必要な所要リアクタンスは、以下の方程式にしたがって計算される。
【００２３】
【数３】
2004526281.tif 000005
【００２４】
式（２）は、図３に示されるアーク炉における簡略化された位相毎の回路表示に基づいている。実際に、所要リアクタンス計算の基本となる回路モデルは、対象となるアーク炉に固有の構成および特徴によって決まる。
【００２５】
また、リアクトルコントローラ２８は、３つの入力、すなわち、リアクタンスモジュール４０によって計算される所要リアクタンス（ＸＲＥＱ）と、下流側インピーダンス計算モジュール３８によって決定される可変リアクトル１６の炉側のリアクタンス（ＸＬ）および抵抗（ＲＬ）とを受けるゲート角度計算モジュール４２を有している。角度計算モジュール４２は、これらの入力に基づいて、計算された所要リアクタンスを達成するために必要なサイリスタ２２に適したファイヤリング角度を決定する。好ましい実施態様において、モジュール４２は、対象とするアーク炉に固有の特徴にしたがって予め決定された、記憶された参照表にアクセスすることにより、ファイヤリング角度を決定する。例示の実施態様において、参照表の値は、以下のステップを行なうことにより予め決定することができる：
ａ）所定のインクリメントで炉側のリアクタンス（ＸＬ）および抵抗（ＲＬ）において起こり得る値を決定し；
ｂ）分路インダクタ２０およびシステム電源電圧における設計値に基づいて、炉側のリアクタンス（ＸＬ）および抵抗（ＲＬ）において起こり得る各値に関し、０〜１８０度の各サイリスタゲート角度毎に定常状態負荷電流波形を計算し；
ｃ）各定常状態負荷電流毎に電流基本周波数成分を計算するとともに、基本電流に対するシステム電源電圧の比をとることにより、全基本リアクタンスを計算し；
ｄ）計算された全基本リアクタンス毎に、全基本リアクタンスから炉側リアクタンス（ＸＬ）を差し引くことにより、可変リアクトルの所要リアクタンス値（ＸＲＥＱ）を決定し；
ｅ）所要リアクタンス値（ＸＲＥＱ）、炉側リアクタンス（ＸＬ）、炉側抵抗（ＲＬ）の考えられる組み合わせのそれぞれに関して所要ゲート角度を決定できるように、結果を表にする。
【００２６】
所定の参照表を参照する以外の方法を使用して、ゲート角度をゲート角度計算モジュール４２で計算することも理解されるであろう。しかしながら、演算集約的、かつ反復的な性質のゲート角度計算が与えられると、参照表は、合理的に有効な解決策を与える。また、他の方法を使用して、参照表に含まれる値を計算することもでき、また、対象となるアーク炉の特定の構成に応じて、他の変数を考慮することができる。
【００２７】
また、リアクトルコントローラ２８は、ゲートパルス発生モジュール４４を有している。ゲートパルス発生モジュール４４は、角度計算モジュール４２によって決定されたゲート角度を入力として受けるとともに、変圧器３０から電源電圧信号を受ける。パルス発生モジュール４４は、角度計算モジュール４２によって決定されたゲート角度と一致するようにサイリスタ２２のゲート角度を調整するパルスゲートジェネレータを有している。例示の実施態様において、パルス発生モジュールは、ＡＣ電圧半周期毎にサイリスタ角度を更新するように構成されており、この点で、サイリスタ角度更新のタイミングを制御するために変圧器３０を介して電源電圧を監視するゼロクロッシング検出器を有している。同様に、この実施態様において、所要リアクタンス計算モジュール４０は、少なくともＡＣ電源電圧半周期毎に所要リアクタンス値を決定して、パルス発生モジュール４４に供給されるゲート角度が得られるようにする。炉固有の特徴に応じて、リアクトルコントローラ２８は、半周期毎に１回よりも多い、あるいは少ない頻度でファイヤリング角度を調整するように構成されていてもよいが、アーク電力を十分に安定させるためには、パワーサイクル毎に少なくとも１回の調整が一般的に望ましい。
【００２８】
以下に詳述するように、リアクトルコントローラ２８は、オーバーライド信号を受け、電極アークの損失が起こりそうになっていることを給電制御システムが検知すると、このオーバーライド信号によってサイリスタ対２２をＯＮするように構成されていることが好ましい。例示の実施態様において、ゲート角度計算モジュール４２は、アーク損失予測モジュール５６からオーバーライド信号を受けると、ニアゼロゲート角度命令を所定の間隔でゲートパルス発生モジュール４４に出力するように構成されている。アーク損失予測モジュール５６からのオーバーライド信号は、ゲート角度計算モジュール４２が所要リアクタンス計算モジュール４０から受けるいかなる入力よりも優先される。
【００２９】
リアクトルコントローラ２８のモジュール３８、４０、４２は、適切にプログラムされた産業用ＰＣを使用して都合よく実施することができるが、当業者であれば分かるように、そのようなモジュールの機能は、多くの様々なハードウエア構成やソフトウエア構成を使用して実施することができる。ゲートパルス発生モジュール４４は、適切にプログラムされたＦＰＧＡ装置を使用して実施することができるが、マイクロプロセッサや専用の回路を基本とする装置等の他の装置を使用して実施することができる。
【００３０】
可変リアクトル１６と直列な固定リアクトル１８の存在は、平均的な炉電力因子を、特にリアクタンス２０が完全に短絡するような状況において電圧供給バス１８で測定される特定の範囲内に維持するのに役立つ。固定リアクトル１８を設けると、アーク抵抗の変化の大きさ以下の大きさだけ可変リアクトル１６のリアクタンスを変化させることにより、アーク抵抗の変化を補償することができる。これらの条件下で、結果として給電バスから引き出される無効電力は、最小に抑えられる。インダクタ２３は、サイリスタ対２２が短絡電流を損なうのを防止する。
【００３１】
次に、電極位置の調整について述べると、給電制御システムは、電極移動システム５４を調整して炉容器２４に対する電極１２の高さを調節する電極位置コントローラ４８を有する。以下に詳述するように、電極位置コントローラ４８は、電極電圧、電極電流、電力消費量、電極移動のような様々な炉作動条件をリアルタイムで監視するように構成されている。監視されたプロセス変数および監視されたプロセス変数の変化は、多くの様々なタイプの炉の異常状態を示すように予め決められた記憶された変動パターンおよび値と比較される。電極位置コントローラは、炉プロセス変数の変化の特徴的なサインに基づいて、多くの様々な炉の可能な異常状態のうちの１つの兆候を予測するとともに、特定の異常状態に適した形態で電極高さを調整する。電極位置コントローラは、異常状態に固有の調整により、プロセスエネルギ効率、炉ルーフの構造の完全性、電力システムの電気的なバランスを維持しつつ、電力の変動を低減しようとする。図２に示される実施態様において、電極移動システム５４は、ウインチ駆動システムとして示されているが、電極１２、例えば液圧シリンダ駆動システムを昇降させることができる他のシステムを使用することもできる。
【００３２】
電極位置コントローラ４８はモード決定モジュール５０を有することが好ましい。このモード決定モジュール５０は、炉の作動特性を連続的に監視するとともに、測定された特性に基づいて電極高さ調整のための多くの様々な作動モードのうちの１つを選択する。炉の状態を測定するため、モード決定モジュール５０は、電極電流を測定する変流器６０および中立に対する電極電圧を測定する変圧器５８からの入力を受ける。また、モード決定モジュール５０は、熱電対のような温度検出素子（図示せず）から受けた信号による炉ルーフ温度、音響トランスデューサ（図示せず）から受けた信号による炉のノイズ（可聴音およびいくつかの不可聴音を含む）、電極位置計算モジュール５２からのフィードバックによる電極移動、ライン３６による所望の電力設定値、タップ設定コントローラ４６からの入力による炉タップ設定を含む、別個の作動特性を監視する。モード決定モジュール５０は、炉作動特性における異常状態の兆候の検出時に、ＶＯＬＴＡＧＥ作動モード、ＩＭＰＥＤＡＮＣＥ作動モード、ＣＵＲＲＥＮＴ作動モードの中から自動的に選択するように構成されている。
【００３３】
モード決定モジュール５０は、平電状態（例えば、１以上の電極の先端がシールドされないでワーク材料よりも上方に位置されている時）の兆候が検出されると、過度のアーク放射から炉ルーフを保護するために、ＶＯＬＴＡＧＥモードを選択する。モード決定モジュール５０は、平電状態が生じたか、あるいは平電状態が起こりそうか否かを判断するために、多くの変数を監視する。これらの変数には、（ａ）電極電力因子の変化；（ｂ）電極電力の標準偏差の増加；（ｃ）電極におけるアーク損失の高い発生率；（ｄ）より高い音響炉ノイズ；（ｅ）アーク電流・電圧調和形態の変化；（ｆ）電極の開口を直接に取り囲む炉ル−フ熱流束の増加；（ｇ）電極の昇降といった最近の電極移動が含まれるが、必ずしもこれらに限定されない。モード決定モジュール５０は、現在監視しているこれらの変数の値を、対象のアーク炉における平電状態の兆候を示すように予め決定された記憶されているパターンおよび閾値と比較する。
【００３４】
ＶＯＬＴＡＧＥモードを選択すると、モード決定モジュール５０は、一般的には下方への電極１２の移動を制御して平電状態を解消するために電極位置計算モジュール５２に対して供給する電圧モード制御エラー（Control Error）の式を決定する。好ましい実施態様において、電圧モード制御エラーの式は、以下のとおりである：
Control Error ＝ ｋＩ＊Ｉ−ｋＶ＊Ｖ            式（３）
式中、
Ｖは、変圧器５８を通じて測定された中立に対する電極の電圧であり；
ｋＩおよびｋＶは、予め計算されて参照表に記憶された電流および電圧のスケーリング定数である。これらは、変圧器のタップ位置にしたがって、参照表中においてインデックスが付されている。
Ｉは、対象のアーク炉における通常の作動電極電流のそれに近い予め決められた定数である。
ＶＯＬＴＡＧＥモードにおいて、制御エラーの式は、各電極毎に測定される電圧を使用して、３つのすべての電極１２に関して適用される。測定された電極電流値ではなく所定の電流定数をＩにおいて使用して制御エラーを決定することにより、電極位置コントローラは、電極高さ調整を通じてアーク電圧を直ちに安定させる。
【００３５】
モード決定モジュール５０によって選択されるデフォルトモードがＩＭＰＥＤＡＮＣＥモードである。ＩＭＰＥＤＡＮＣＥモードは、炉が覆われたたアークまたは遮蔽されたアークを維持する時（すなわち、例えば屑鉄、泡沫状スラグ、鉱石含有材料等の炉内に配置されたワーク製品によってカバーが設けられる場合には、通常の作動中）に使用される。ＩＭＰＥＤＡＮＣＥモードにおいて、各電極１２の機械的な移動は、本実施態様の３電極システムにおける他の電極の機械的な移動から切り離される。各電極１２は、その測定されたインピーダンス値が設定インピーダンス値から所定量だけ変化すると、測定値と設定値との一致が所定の許容範囲内で回復するまで移動される。したがって、モード決定モジュール５０は、各電極毎に、（測定された電極の電圧値および電流値により）現在の電極インピーダンスを決定し、測定されたインピーダンスが設定インピーダンスと一致していない場合（すなわち、その電極において異常状態が存在する場合）には、モード決定モジュール５０は、電極移動を制御するために電極位置計算モジュールに供給するインピーダンスモード制御エラーの式を計算する。好ましくは、インピーダンス設定値は、ゲイン定数の比ｋＩ／ｋＶであり、インピーダンスモード制御エラー方程式は以下のとおりである：
Control Error ＝ ｋＩ＊Ｉ−ｋＶ＊Ｖ          式（４）
式中、
Ｖは、変圧器５８を通じて測定された中立に対する電極の電圧であり；
ｋＩおよびｋＶは、前述したゲイン定数であり；
Ｉは、変圧器６０を通じて測定された電極電流である。
ＩＭＰＥＤＡＮＣＥモードにおいて、設定インピーダンス値から変化したプロセスインピーダンスを持つ電極を個々に調整すると、アークにわたるチャージカバーの乱れを低減する。ＶおよびＩに関する値は、二次側変圧器５８、６０によって測定されるよりはむしろ、一次側変圧器３２、３４によりそれぞれ取得される測定値から、適切な炉変圧器巻数比にしたがってそのような一次側測定値を調整することにより、得ることができる。
【００３６】
また、炉の作動状態が、高い度合いの電気的アンバランスを呈している場合（これを放置しておくと、保護リレーが炉の電源を切る可能性がある）、モード決定モジュール５０は、ＣＵＲＲＥＮＴモードを選択することもできる。ＣＵＲＲＥＮＴモードにおいて、電極位置コントローラ４８は、電極を移動させるべく作動して、釣り合いのとれた電極電流を回復させ、これにより、炉がアンバランスに作動する可能性を最小限に抑える。モード決定モジュール５０は、炉変圧器１４の一次位相または二次位相電流における負のシーケンス電流成分を測定することにより、電流のバランスを監視する。図示の例において、二次位相電流は変流器６０を通じて測定され、また、モード決定モジュール５０は対称成分分解を行なう。典型的な分解式は以下のとおりである：
Ｉ２＝１／３（Ｉａ＋ａ２Ｉｂ＋ａＩｃ）
ここで、
ａ＝−０．５＋ｊ０．８６６；
Ｉ２＝負のシーケンス電流
Ｉａ＝位相ａの電流ベクトル
Ｉｂ＝位相ｂの電流ベクトル
Ｉｃ＝位相ｃの電流ベクトルである。
負のシーケンス電流の値が、所定時間の間、閾値レベルを超えた状態で維持されると、ＣＵＲＲＥＮＴモードが選択される。電流バランス状態異常が是正されると、ＩＭＰＥＤＡＮＣＥモードに戻る。ＣＵＲＲＥＮＴモードの選択時、モード決定モジュール５０は、電極１２の移動を制御して電流のアンバランスを低減するために電極位置計算モジュール５２に供給する電流モード制御エラーの式を決定する。好ましい実施態様において、電流モード制御エラーの式は、以下のとおりである：
Control Error ＝ ｋＩ＊Ｉ−ｋＶ＊Ｖ          式（５）
式中、
Ｉは、変圧器６０を通じて測定された電極電流であり；
ｋＩおよびｋＶは、前述した電極および電圧スケーリング定数であり；
Ｖは、対象のアーク炉における通常の作動電極電圧のそれに近い予め決められた定数である。
ＣＵＲＲＥＮＴモードにおいて、制御エラーの式は、各電極毎に測定される電流を使用して、３つのすべての電極１２に関して適用される。測定された電圧値よりはむしろ所定の電圧定数Ｖを使用して制御エラーを決定することにより、電極位置コントローラは、電極高さ調整を通じて電極電流を直ちに釣合わせることに集中する。電流モード制御エラーの式（５）および電圧モード制御エラーの式（３）は、測定電圧Ｖを電流モードの式の場合の定数と置き換え、測定電流Ｉを電圧モードの式の場合の定数と置き換えると、インピーダンスモード制御エラーの式（４）と同じであることが分かる。
【００３７】
位相間での電極電圧および電流の結合は、３電極アーク炉に固有のものである。したがって、本実施態様の３電極炉において、１つの電極下でアーク乱れが生じると、３つのすべての電極の電圧および電流に影響が及ぶ。したがって、ＣＵＲＲＥＮＴモードおよびＶＯＬＴＡＧＥモードにおいては、異常状態に対抗するために、３つのすべての電極の移動が生じる。しかしながら、ＩＭＰＥＤＡＮＣＥモードにおいては、インピーダンス調整を必要とする電極だけが移動され、これにより、アークカバーの乱れが最小限に抑えられる。
【００３８】
電極位置コントローラ４８は電極位置計算モジュール５２を含む。電極位置計算モジュール５２は、電極移動システム５４を制御して、モード決定モジュール５０から受ける命令にしたがって電極１２を昇降させるように構成されている。また、電極位置計算モジュール５２は、それ自身使用するため、また、電極の場所および移動に関するフィードバックをモード決定モジュール５０に与えるため、電極の位置を監視する。前述したように、ＣＵＲＲＥＮＴモードおよびＶＯＬＴＡＧＥモードにおいて、３つの電極は、電流および電圧をそれぞれ設定値に戻すために移動される。ＩＭＰＥＤＡＮＣＥモードにおいて、電極は、それぞれのインピーダンスを正しいレベルに戻すため、個別に移動される。電極位置計算モジュール５２は、電極電流情報および電極電圧情報を、変流器６０および変圧器５８からそれぞれ受ける。
【００３９】
炉の作動中、電極位置計算モジュール５２は、モード決定モジュール５０から適切な制御エラーの式の選択を受けるとともに、それを使用して、以下のように電極の移動を制御する。制御エラーは、指数ｎまで引き上げられ、積算器により連続的に積算される。ここで、アルファ＜ｎ＜ベータである（通常、アルファは１であり、通常、ベータは２である）。積算限界に達すると、電極開始速度は、積算時間にわたる平均エラーに比例する値に設定される。その後、電極速度は、エラーが所定の不感帯に入るまで、瞬間エラーに比例したままとなる。その後、集積器がリセットされ、電極の移動が停止すると、積算が始まる。制御エラーが予め設定された閾値よりも大きい場合には、積算ステップが省かれ、電極は、（ａ）エラーが所定の不感帯に入るまで、あるいは、（ｂ）エラーが予め設定された閾値を下回るまで、高速または最大速度で移動され、その後、その速度は、瞬間エラーと比例するように調整される。一般に、本発明のこの実施態様における電極の移動速度は、３００ｍｍ／分〜２００００ｍｍ／分である。ここで説明した方法の他に、多くの様々な公知の移動制御アルゴリズムを電極位置計算モジュール５２で使用して、電極移動を制御することも好ましい。
【００４０】
電極位置計算モジュール５２の新規な特徴は、電極位置計算モジュールがアーク長オーバーライド機能を有し、これにより、電極を移動させる前に各電極毎の電極アーク長を決定し、電極を移動している間、電極の移動を連続して監視するという点である。電極がその計算されたアーク長を通り越して移動する場合、電極速度をクリープ速度まで下げて、電極の破損または炉のスラグ槽内での望ましくない金属反応（電極中の炭素と炉内の溶融槽との間の反応によって生じ得る）を最小限に抑えるために、オーバライドコマンドが発生される。本実施態様において、各電極におけるアーク長は、以下のように計算される：
アーク長＝（Ｖ−Ｉ＊Ｒｓｌａｑ−Ｖ０）／Ｅ０
ここで、
Ｖは、中立に対する電極の電圧であり；
Ｉは、電極電流であり；
Ｒｓｌａｑは、先端が熱浴表面に接触する時の電極の抵抗であり；
Ｖ０は、電圧降下を示す定数であり；
Ｅ０は、アーク電場（ボルト／ｃｍ）を示す定数である。
実際に、アーク長計算は、前述した変数の他、他の炉作動変数によって決まる可能性がある。本実施態様において、制御エラーは、半周期毎に測定される、炉の作動特性に基づいて、半分のパワーサイクル毎に積算される。しかしながら、本発明の電極高さ調節器により、頻度の少ない積算間隔およびサンプリング間隔を使用できる。
【００４１】
また、電極位置コントローラ４８は、異常状態の更なるタイプを予測するアーク損失予測アルゴリズムモジュール５６によって実施される更なるオーバーライド機能を有している。このモジュールは、アーク電流の特徴的な急激な減少の兆候を監視することにより、任意の電極１２におけるアーク損失を予測するとともに、（ａ）アーク損失が予測される電極１２を急速に下げるように電極位置計算モジュール５２に指示することにより、また、（ｂ）前述したように、オーバーライド信号をリアクトルコントローラ２８に送り、その結果、アーク損失が予測される電極１２に対応するサイリスタスイッチ２２を完全にＯＮにし（すなわち、ほぼ０のゲート角度を与えて）、それによって、対応するインダクタ２０を完全に分岐して、影響を受けた電極の瞬間電圧を引き上げることにより、応答する。サイリスタスイッチを完全にＯＮすることにより生じる電極先端の電圧増大と、下降した電極に起因するアーク長の減少とにより、電極下の電界が強くなる。その結果、アーク列の電離レベルが回復し、アーク損失が防止される（アーク損失が実際に生じた場合には、アークが回復される）。アーク列が回復されると、アーク損失予測モジュール５０によるリアクトルコントローラ２８のオーバーライド制御が終了し、したがって、リアクトルコントローラ２８は、その結果として減少したアークインピーダンスを検出することができ、そのため、サイリスタゲート角度を大きくすることにより可変リアクトル１６のリアクタンスを増大することができる。その結果、電極電力は、電力設定値を超えないことが可能になる。急速に電極を下げることによる従来の結果は、電流が急にプラスになり、かつ／又は電力の変動が生じ、それにより、溶鉱炉のブレーカーの作動が生じうる。製鋼炉においては、急速な下降によって、電極の先端が破損したり、かつ／又は回路のブレーカーの作動が生じうる。したがって、従来は、急速な電極の下降が回避されていた。しかしながら、本発明においては、電極の下降に関連して可変リアクトル１６を制御するため、実際的な電力の変動が低減され、これにより、ブレーカーの作動によって停電する可能性が減少する。また、アーク長オーバーライド機能（これはアーク損失オーバーライド中においても実行し続ける）は、電極先端破損に伴う炉遅延の発生を減少する。
【００４２】
アーク損失予測アルゴリズムモジュール５６の作動は、以下の擬似コードによって示される。
（ｉ）炉が作動している間に行ない
（ii）各電極電流を連続的にサンプリングし、
（iii）減少する電流の変化率が予め設定された限界値を超えている場合、また、電極電流がｋ×（設定値）よりも小さい場合には、
（iv）全速力でマスター下降を開始するとともにサイリスタをゲートコントロールし、
（v）電極電流が設定値まで回復した場合、または、電極電圧が０の場合、
（vi）電極調整をモード決定モジュール５０に戻し、サイリスタ調整をリアクトルコントローラ２８に戻し、
（vii）終了する。
擬似コードのステップ（i）（ii）に示されるように、アーク炉が作動している間、アーク損失予測アルゴリズムモジュール５６は、各電極に対応する変流器６０によって各電極電流を監視する。ステップ（iii）に示されるように、電流が減少している場合、その変化率がチェックされ、変化率が所定の閾値を超えているか否かが分かる。所定の閾値は、対象の炉の特性に基づいて選択され、特に、アークの差し迫った損失を示すものとして知られている値となるように選択される。ステップ（iii）においては、電極電流もチェックされ、電極電流が電流設定値の所定のパーセンテージよりも下回っているか否かが分かる（電流設定値は、電力設定値および変圧器電圧タップ設定に基づいて決定される）。ステップ（iii）において２つの試験条件が存在する場合、モジュール５６は、ステップ（iv）にあるように、炉作動状態が差し迫ったアーク損失の前兆であるという結論を下すとともに、電極を下降させるように電極位置計算モジュール５２に指示し、かつサイリスタ２２を完全にＯＮするようにリアクトルコントローラ２８に指示することにより、アーク損失を回避するための手段を講じるという結論を下す。ステップ（ｖ）に示されるように、これらのアーク損失回避手段は、（ａ）対象の電極電流が設定値（アーク損失が防止されることを示す設定値、または、アーク損失が生じた場合には、アークが回復される）に回復するまで、あるいは、（ｂ）電極電圧が０（電極の先端が炉容器の溶融槽と接触することを示す）になるまで維持される。ステップ（ｖ）の後、ステップ（vi）にあるように、アーク損失予測モジュール５６は、電極調整制御を元のモード決定モジュール５０に引き渡すとともに、可変リアクトル１６の制御を元のリアクトルコントローラ２８に引き渡す。これにより、一般に、電極がいく分上昇し、可変リアクタンス１６が大きくなり、これによりアークの再点火に基づいて生じ得る実際的な電力の変動が低減される。
【００４３】
電極位置コントローラ２８は、適切にプログラムされた産業用ＰＣを使用して好都合に実施することができるが、当業者であれば分かるように、そのモジュールの機能は、多くの様々なハードウエアやソフトウエア構成を使用して実施することができる。また、タップ設定コントローラ４６は、産業用ＰＣまたは適当な代替物を使用して実施することができ、また、電極位置コントローラ４８のために使用されると同じＰＣを使用して実施することができる。
【００４４】
本発明の可変リアクトル制御および電極調整は、これらが適用されるアーク炉に対して、実質的なプラスまたはマイナスの電力変動を伴うことなく平坦なラインの電力形態を与えるのに役立つ。高速電子サイリスタ制御は、電極調節器の機械的な作動を安定化させる緩やかな出力を高める。電子サイリスタ制御は、アーク変動に対する高速応答を与える。この場合、電極調整が機械的な乱れ（例えば、ワーク材料の崩壊、アーク損失等）に対して継続して応答を与える。一般に、本発明のアーク炉制御システムは：
−  必要な炉変圧器電圧タップを選択して炉電力設定値と一致させ、
−  可変リアクトルを連続的に調節して、半周期で、あるいは周期毎を基本に電力の変動を調整することにより、電極インピーダンスの変化に対抗し、
−  高速電極下降を結果として生じる予測電極調整により電力（出力）降下を軽減し、これにより、電極アークが消失することを防止して、サイリスタ制御および同時電極上昇を用いてアーク再点火に伴う実際的な電力の変動を制御する、
ように機能する。
【００４５】
例示の実施態様において、可変リアクトル１６が炉変圧器のデルタエンクロージャの外側に配置された３電極炉に関して説明してきた。本発明の制御システムは、他のアーク炉構成に適合して使用することができることも理解されるであろう。例えば、適切な変更を加えて、複数の電極が各位相に関連付けられた炉、例えば一対の電極１２が各位相に関連付けられた６電極炉において同様の利益が得られるように制御システムを使用することができる。この点で、図４は、本発明の他の実施態様に係る６電極炉を示している。６電極炉のための制御システムは、３電極炉に関して前述した図２に示されるそれと同様であるが、以下に示すいくつかの改良点も含めて、６電極炉と３電極炉との相違を明らかにする。６電極炉のための制御システムのブロック図が、１つの位相に対応する電極対１１２に関して図５に示されている。
【実施例２】
【００４６】
図４および図５に示されるように、６電極炉は、電力システムにおいて３つの単相負荷（それぞれが２つの電極１２）のようにふるまう。各電極対１１２は、各単相炉変圧器１１４から電力を受ける。可変リアクトル１８は各変圧器１１４の一次巻線と給電バス１０との中間に配置されている。６電極炉の好ましい実施態様において、各電極対は、個々の電力設定値を有していてもよい。その結果、通常においては等しいが作動要件にしたがって別々に設定することができる３つの電力設定値が存在する。各炉変圧器１１４は、その各電力設定値にしたがって、タップ設定コントローラ４６によりそのタップが選択される。変圧機１４に関して前述したように、炉変圧器１１４のそれぞれにおけるタップの設定においては、同じ一般原則が適用される。
【００４７】
６電極炉における可変リアクトル制御において、位相毎の制御は、三相炉に関して前述した制御とほぼ同じである。この場合、１つの位相に関連付けられる電極対１１２に前述した式（２）を適用することができる。
【００４８】
６電極炉での電極高さ調整に関しては、各電極対が別個の炉変圧器１１４から供給されているため、各電極対１１２は他の電極対から切り離される。しかしながら、任意の電極対１１２において、対をなす電極は、同じ変圧器１１４から供給されて互いに電気的に接続されているため、一方の電極の移動は、他方の電極の電流および電圧に影響を与える。電極移動装置５４は、１つの電極対１１２の２つの電極１２を機械的に個別に移動させることができる。
【００４９】
３電極炉と同様に、各電極１２に関して、モード決定モジュール５０によって選択されたモードにしたがって、電極位置計算モジュール５２により制御エラー計算が行なわれる。したがって、各電極において１つずつ、合計６つの制御エラー計算が行なわれる。ＩＭＰＥＤＡＮＣＥモードにおいて、ゲインｋＩおよびｋＶは、電極対電圧の合計がほぼ一定であるという点を考慮に入れて選択される。ＶＯＬＴＡＧＥモードにおいて、ゲインｋＩおよびｋＶは、電極対電圧の合計がほぼ一定であるという点を考慮に入れて選択される。
【００５０】
６電極炉のＣＵＲＲＥＮＴモードは、以下のように、３電極炉のＣＵＲＲＥＮＴモードから変更される。まず第１に、電極対電流のアンバランスが監視されて修正される。
【００５１】
電極対１１２において、ＣＵＲＲＥＮＴモードは、電極対電流を急速に調整するための高速作動モードである。ＣＵＲＲＥＮＴモードでは、電極対をなす両方の電極が同じ方向に移動される。３電極炉と同様に、ＣＵＲＲＥＮＴモードは、電極対における電極電圧およびインピーダンスを不釣合いにする場合がある。アークは消失しないが電極対電流がその平均値から大きく外れている場合には、電流を設定値へと急速に戻すべく、ＣＵＲＲＥＮＴモードが直ちに選択される。物理的に、電極対をなす両方の電極は、短時間、同じ方向に移動する。
【００５２】
また、ＣＵＲＲＥＮＴモードは、異なる位相にわたって生じるアンバランスを修正するように作用する。
【００５３】
負のシーケンス電流を最小限に抑えるため、ＣＵＲＲＥＮＴモードは、一次電流を３つの各単相変圧器に対して釣り合わせるように動作しなければならない。したがって、６電極システムにおいて、電極位置コントローラ４８は、３つの各位相の変流器３４から一次電流情報を受けるように接続される。３つの各変圧器１１４の二次電圧タップが同一ではないとモード決定モジュール５０が判断すると、電流バランスコマンドにより、３つの電圧タップのうち低い電圧または高い電圧を有する特定の変圧器１１４において電力設定値が無効になる。電極対の電力設定値において非常に意図的な差がある場合、あるいは、等しくない一次電流を引き起こす二次電圧タップに意図的な差がある場合、ＣＵＲＲＥＮＴモードは、オペレータが高度のアンバランスを許容することを決定した無効の意味である。
【００５４】
一対のサイリスタスイッチとして可変リアクトル１６を示してきたが、可変リアクトル１６のために、例えば多段サイリスタスイッチ等の他の構成を使用することも好ましい。あるいはまた、サイリスタの代わりに他のタイプの半導体スイッチを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施態様に係る給電装置を有する３電極アーク炉の概略図である。
【図２】図１のアーク炉の給電装置のための電力制御システムのブロック図である。
【図３】基本周波数でのアーク炉の１つの位相の概略的な回路モデルである。
【図４】本発明の他の実施態様に係る給電装置を有する６電極アーク炉の概略図である。
【図５】図４のアーク炉の給電装置のための電力制御システムのブロック図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年3月5日(2003.3.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク電極に有効ＡＣ電力を供給するためのＡＣ電源を有するＡＣアーク炉用の電力制御システムであって、
ＡＣ電源と電極との中間に設けられた可変リアクタンスと、
電極のインピーダンスを監視するとともに、監視された電極インピーダンスの変化に応じて可変リアクタンスを変化させることにより、電極に供給される有効ＡＣ電力の変動を低減する可変リアクトルコントローラ
を含み、
可変リアクトルコントローラが、電極インピーダンスを計算し、計算された電極インピーダンスに基づいて所要リアクタンスを計算し、計算されたリアクタンスに可変リアクタンス調整することを特徴とする電力制御システム。
【請求項２】
可変リアクトルコントローラが、監視された電極インピーダンスに応じて、結果的に電極によって引き出される所定の有効電力となる可変リアクトルのリアクタンス値を周期的に決定するとともに、可変リアクタンスを決定されたリアクタンス値に調整するように構成される、請求項１に記載の電力制御システム。
【請求項３】
引き出される所定の有効電力が、公知の量のワーク材料を処理するために炉によって必要とされる電力の量の決定に基づく、請求項２に記載の電力制御システム。
【請求項４】
可変リアクトルコントローラが、リアクタンス値を決定するとともに、ＡＣパワーサイクル毎に少なくとも１回、決定されたリアクタンス値と一致するように可変リアクタンスを調整するように構成される、請求項２に記載の電力制御システム。
【請求項５】
可変リアクトルコントローラが、リアクタンス値を決定するとともに、半ＡＣパワーサイクル毎に少なくとも１回、決定されたリアクタンス値と一致するように可変リアクタンスを調整するように構成される、請求項２に記載の電力制御システム。
【請求項６】
可変リアクタンスが、サイリスタ制御されるインダクタを含む、請求項１に記載の電力制御システム。
【請求項７】
電源と電極との中間に設けられた固定リアクトルを含む、請求項６に記載の電力制御システム。
【請求項８】
電極を昇降させることにより形成されるアークの長さを制御する電極移動装置と、
電極移動装置の動作を制御するとともに、炉の動作特性を監視して、監視された動作特性に基づいて電極の移動を制御する複数の異なる作動モードから選択するような構成である自動電極位置コントローラ
を含む、請求項１に記載の電力制御システム。
【請求項９】
電極位置コントローラが、監視された動作特性を、電極がワーク材料から大きく上側に離れて配置される異常状態を示す所定の値と比較するとともに、電極高さを調整して異常状態を解消する、請求項８に記載の電力制御システム。
【請求項１０】
電極位置コントローラが、電極によって形成されるアークの長さを周期的に計算するとともに、電極移動装置により計算されたアークの長さを超えて電極が移動することを防止するように電極の移動速度を下げる、請求項８に記載の電力制御システム。
【請求項１１】
電極の高さを調整する電極移動装置と、
炉の動作特性を監視するとともに、監視された特性を所定の特性と比較して、電極で起こり得るアーク損失の兆候を予測し、電極移動装置により電極を急速に下降させ、可変リアクトルコントローラにより可変リアクタンスの大きさを一時的に下げてアーク損失を防止する電極位置コントローラ
含む、請求項１に記載の電力制御システム
【請求項１２】
３つの各アーク電極に三相電力を供給するための三相ＡＣ電源と、電源の各位相と３つの電極との中間に接続された可変リアクタンスとを有するアーク炉を制御する方法であって、
ａ）３つの各位相毎に、各電極インピーダンスを監視するステップと、
ｂ）３つの各電力位相毎に、監視された電極インピーダンスに基づいて、所要リアクタンスを計算するステップと、
ｃ）可変リアクタンスのインダクタンスを所要リアクタンスに調整して、各電極インピーダンスの変化を補償することにより、電源から引き出される有効電力の変動を低減するステップ
を有することを特徴とする方法。
【請求項１３】
ステップ（ｃ）が、各電力位相毎に、各電極インピーダンスの変化を考慮して所定の有力電力消費量レベルを維持するために必要なインダクタンスを決定し、これにより、各可変リアクタンスを調整することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ステップ（ａ）および（ｃ）が、各電力位相で、ＡＣ電力位相周期毎に少なくとも１回行なわれる、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ｄ）各電極電流を監視して、監視された電流が各電極におけるアーク損失の前兆となる特徴を示しているか否かを判断し、アーク損失を防止するために各電極を下降させて、各可変リアクトルのインダクタンスを下げるステップを有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
アーク炉が３つの各電極対に対して三相電力を供給し、可変リアクタンスが、電源の各位相と３つの電極対との中間に接続され、各電極インピーダンスが各電極対のインピーダンスである請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
電力制御システムが、三相電源と、３つのアーク電極と、ワーク材料を受けるための炉容器を有するＡＣアーク炉用のシステムであって、
容器内、かつ容器から離間して電極のアーク端部が配置され、それにより電源から電極へ電力を供給すると、ワーク材料を加工するために電極アークがそれぞれ各電極から発生し、電力制御システムが、
三相電源の各位相に接続された３つの可変リアクタンスと、
一次巻線および二次巻線と、変圧比率を調整するためのタップとを有し、一次巻線が３つの可変リアクタンスに接続され、二次巻線が３つのアーク電極に接続された炉変圧器と、
炉容器に対する電極の高さを調整するための電極移動装置と、
ｉ）炉の予想電力消費量を所定の電力消費量に一致させるように変圧器のタップを設定し、
ii）炉の動作中に、炉の有効電力消費量を示す炉の動作特性を監視して、可変リアクタンスおよび電極高さを調整し、所定の電力消費量に対する有効電力消費量の変化を最小限に抑える、
可変リアクトルコントローラ
を含むＡＣアーク炉用である請求項１に記載の電力制御システム。
【請求項１８】
可変リアクトルが、各ＡＣ電力位相周期毎に少なくとも１回調整される、請求項１〜３、５〜１１および１７のいずれか一項に記載のアーク炉。
【請求項１９】
炉変圧器が３つの単相変圧器を含み、各単相変圧器が、３つの可変リアクタンスのうちの１つに接続された一次巻線を有し、かつ、各単相変圧器の二次巻線に接続された一対のアーク電極を含む、請求項１７に記載のアーク炉。
【請求項２０】
アーク電極に電力を供給するためのＡＣ電源を有するＡＣアーク炉用の電力制御システムであって、
電極の高さを調整して電極のアーク長を制御するアーク電極移動装置と、
電極移動装置の動作を制御するとともに、アーク炉の動作特性を監視して複数の異常状態の兆候を予測し、また、特定の予測された異常状態に応じて電極高さを調整する電極位置コントローラ
を含むことを特徴とする電力制御システム。
【請求項２１】
電極位置コントローラが、電極の移動およびアーク長を監視し、かつ、そのアーク長を超えて電極が移動する又は移動したと判断すると、電極移動装置を介して電極の移動速度を下げるように構成される、請求項２０に記載の電力制御システム。
【請求項２２】
電極位置コントローラが、電極のインピーダンスを監視するとともに、監視されたインピーダンスが閾値から所定量変化した異常状態を検出し、監視されたインピーダンスが閾値の所定の範囲内に調整されるように電極高さを調整するように構成される、請求項２０に記載の電力制御システム。
【請求項２３】
炉が、３つの各電極に電力を供給するための三相電源を有し、電極が、アーク電極移動装置によって個別に移動可能であり、電極位置コントローラが、各電力位相毎に各電極のインピーダンスを監視するとともに、電極のインピーダンスを所定のレベルに調整できるように各電力位相毎に各電極を個別に移動させるように構成される、請求項２２に記載の電力制御システム。
【請求項２４】
電極位置コントローラが、監視された動作特性が、電極が炉内のワーク材料から大きく上側に離れて配置されていることを示す場合に、異なる異常状態を検出し、電極の高さを許容可能なレベルまで下降調整する、請求項２２に記載の電力制御システム。
【請求項２５】
炉が、アーク電極移動装置によって移動可能な３つの各電極に電力を供給するための三相電源を有し、電極位置コントローラが、各電極の電流を監視するとともに、監視された電極電流間の差が所定の閾値を超える際に異なる異常状態を検出し、監視された電極間の差が所定の範囲内となるように電極の高さを調整するように構成される、請求項２２に記載の電力制御システム。
【請求項２６】
アーク電極に電力を供給するためのＡＣ電源と、電源と電極との中間に接続された可変リアクタンスと、炉容器に対する電極の高さを調整するための電極移動システムとを有するＡＣアーク炉を制御するための方法であって、
ａ）電極に供給される電流を監視するステップと、
ｂ）監視された電流の大きさが所定の速度閾値を超える速度で減少し、監視された電流の大きさが所定の値を下回った場合に、電極を下降させて、可変リアクタンスを下げるステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】
ｆ）ステップ（ｅ）の後に、可変リアクタンスの値を上げて、電極の電離が回復した際の実際的な電力の変動を低減するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
【国際調査報告】
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