DIRECT CURRENT ARC FURNACE CONTROL SYSTEM

Abstract: 1. Controlling device for a directly-heated direct-current arc furnace for melting metal, comprising an electrode adjusting device for adjusting the distance between electrode and melt, a static convertor for supplying the electrode with direct current, a current controller the input of which is supplied with the difference between a predeterminable nominal direct-current value and a measured actual direct-current value and the output signal of which is used as a control voltage signal for the static convertor, and comprising a voltage controller the input of which is supplied with the difference between a predeterminable nominal direct-voltage value and a measured actual direct-voltage value and which emits an output signal to the electrode adjusting device, characterized in that the output signal of the current controller is summed with the actual direct-voltage value (Udist ) as pilot control value.

Description: Regeleinrichtung für einen Gleichstrom-Lichtboqenofen. Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen direkt beheizten Gleichstrom-Lichtbogenofen zum Schmelzen von Metall, mit einer Elektrodenverstelleinrichtung zur Einstellung des Abstandes zwischen Elektrode und Schmelzbad und einem Stromrichter zur Speisung der Elektrode mit Gleichstrom. Aus Brunklaus "Industrleöfen", 4. Auflage, 1979, Vulkarl- Verlag Essen, Seite 169 bis 173 und Seite 572 bis D76 sind Lichtbogenöfen zum Schmelzen von Metallen bekannt. Als unmittelbar. oder direkt beheizte Lichtbogenöfen werden dabei solche Lichtbogenöfen bezeichnet, bei denen das Schmelzbad selbst als eine der beiden Elektroden dient und der WärneiIbcrgang durch den zwischen Graphit-]Slek- trode und Schmelzbad brennenden Lichtbogen unmittelbar auf die Schmelze erfolgt. Aus der genannten Literaturstelle ist es auch bekannt, Gleichstrom anzuwenden, wenn die elektrolytische Wirkung für den betreffenden metallurgischen Prozess Bedingung ist, z.B. bei der Erzeugung von Aluminium. Eine Regeleinrichtung zur Regelung eines derartigen Gleichstrom-Lichtbogenofens wird jedoch nicht angegeben. Drehstrom-Lichtbogenöfen zum Erschmelzen von Stahl aus Schrott sind bereits seit vielen Jahren bekannt und in Betrieb. Sie haben den Nachteil, dass sie sehr stark auf die Spannungsform des sie speisenden Netzes zurückwirken, insbesondere in einem Frequenzbereich, in dem das menschliche Auge sehr empfindlich ist. Die Netzrückwirkungen des Ofens werden daher in Form von Flicker in den elektrischen Beleuchtungsanlagen, die aus diesem Netz gespeist werden, wahrgenommen. Bei nicht ausreichender Kurzschlussleistung des Netzes sind daher oft aufwendige dynamische Kompensationsanlagen erforderlich, um diese Netzrückwirkungen auf ein zulässiges Mass zu begrenzen. Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung für eine Gleichstrom-Lichtbogenofen zu entwickeln, die unzulässig hohe Netzrückwirkungen, insbesondere im wichtigen Frequenzbereich < - 20 Hz während jeden Betriebsfalls vermeidet und darüberhinaus eine gute Elektrodenausnutzung sowie einen umweltfreundlichen Betrieb ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Stromregelkreis mit einem Stromregler vorgesehen ist, dem eingangsseitig die Differenz zwischen einem vorgebbaren Gleichstrom-Sollwert und einem gemessenen Gleich strom-Istwert zugeführt wird und dessen Ausgangssignal mit einem Gieichspannungs-Istwert als Vorsteuerwert summiert und als Steuerspannungssignal dem Stromrichter zugeleitet wird, dass ein überlagerter Spannungsregelkreis mit einem Spannungsregler vorgegeben ist, dem eingangsseitig die Differenz zwischen einem vorgebbaren Gleichspannungs-Sollwert und einem gemessenen Gleichspannungs Istwert zugeführt wird und der ein Ausgangssignal an die Elektrodenverstelleinrichtung abgibt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben. Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile liegen insbesondere darin, dass die Regeleinrichtung schnell auf verschiedene Betriebsfälle, wie Kurzschluss durch nachfallenden Schrott oder durch hochspritzendes flüssiges Metall und Lichtbogenabriss durch Zusammenbruch des "Schrott-Gebirges" anspricht.,Durch genaue Regelung des Gleichstroms wird vorteilhaft ein geringer Elektrodenverbrauch sowie geringe Staub- und Lärmentwicklung ermöglicht. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Regeleinrichtung zur Regelung eines Gleich strom-Li chtbogenofens, Fig. 2 zusätzliche Einrichtungen zur Beeinflussung und 3 des Stromrichters, Fig. 4 zusätzliche Einrichtungen für einen "Schnell rücklauf der Elektrode bei Dauer-Kurzschluss" und für ein "Schnell--Absenken der Elektrode bei Abrissgefahr des Lichtbogens". In Fig. 1 ist eine Regeleinrichtung zur Regelung eines Gleichstrom-Lichtbogenofens dargestellt. Ein Gleichstrom-Sollwert Idsoll wird über eine Verzweigungsstelle 1 einer Summationsstelle 2 mit positivem Vorzeichen zugeleitet Die Summationsstelle 2 ist ausgangsseitig mit einem Stromregler 3 verbunden. Nach dem Stromregler 3 sind eine Verzweigungsstelle 4, eine Summationsstelle 5 sowie eine Verzweigungsstelle 6 in Reihe angeordnet. Die Ver 4. zweigungsstelle ist, wie in den Figuren 2 und 4 dargestellt, verschaltet. An die Verzweigungsstelle 6 ist ein Verstärker 7 angeschlossen, dessen Ausgangssignal über einen Schalter 8 mit negativem Vorzeichen zur Summationsstelle 2 gelangt. Der Schalter 8 wird in Abhängigkeit eines Signales L gesteuert (siehe hierzu Fig. 3). An die Verzweigungsstelle 6 ist desweiteren eine Summationsstelle 9 angeschlossen, der mit positivem Vorzeichen die Signale NR1, WR2 und WR3 (siehe hierzu Fig. 2, 3) zugeleitet werden. Das Ausgangssignal Ust der Summationsstelle 9 wird einem Stromrichter 10 zugeführt. Der Stromrichter 10 (Ausgangs spannung Ud, Ausgangsstrom I ) ist über eine Drossel U Au d spule 11 und den Widerstand des kurzgeschlossenen Ofens 12 mit einem Stromwandler 13 verbunden. Der Stromwandler 13 führt der Summationsstelle 2 einen Gleichstrom-Istwert 1dist über einen Verstärker 14 und eine Verzweigungsstelle 15 mit negativem Vorzeichen zu. Die Verzweigungsstelle 15 ist, wie unter Fig. 3 beschrieben, verschaltet. Der Stromwandler 13 ist über eine Verzweigungsstelle 16 mit einer Elektrode 17 verbunden, die als kathodischer Fusspunkt des Lichtbogens im Ofengefäss dient. Der anodische Fusspunkt des rLichtbogens lieyt im zu schmelzenden Schrott. Der Licht bogen-spannungs-Istwert ist mit U Oist bezeichnet. Ein Gleichspannungs-Sollwert Udsoll wird über einen Begrenzer 18 und ein Glättungsglied 19 einer Summationsstelle 20 mit positivem Vorzeichen zugeleitet. Dem Bei grenzer 18 wird eingangsseitig die Trafostufe T des den Stromrichter 10 vorgeschalteten Transformators zugeführt. Die Summationsstelle 20 ist ausgangsseitig mit einem Spannungsregler 21 verbunden. Der Spannungsregler 21 gibt ausgangsseitig einen Elektrodenverstellungs-Geschwindigkeits-Sollwert an die Verzweigungsstelle 22 ab, die dieses Ausgangssignal des Spannungsreglers 21 über einen Schalter 23 der Summationsstelle 20 mit negativem Vorzeichen zuführt. Der Schalter 23 wird in Abhängigkeit eines Signales L gesteuert (siehe Fig; 3). Nach der Verzweigungsstelle 22 ist eine Summationsstelle 24 vorgesehen, die über eine Verzweigungsstelle 25 mit einem Verstärker 26 verbunden ist. Die Summationsstelle 24 wird, wie in Fig. 4 dargestellt, mit weiteren Signalen beaufschlagt. Am Ausgang des Verstärkers 26 mit dem Verstärkungsfaktor -1 liegt eine Verzweigungsstelle 27, die über einen Schalter 28 mit der Verzweigungsstelle 25 verbunden ist. Der Schalter 28 wird in Abhängigkeit eines Signales L gesteuert (siehe Fig. 3). Die Verzweigungsstelle 27 kann ferner über. einen Schalter 29 auf Nullpotential gelegt werden. Der Verzweigungsstelle 27 nachgeschaltet ist eine Elektrodenverstelleinrichtung 30, die den -Elektrodenabstand zwischen Elektrode und Schrott-Fusspunkt (= Lichtbogenlänge) s bestimmt. An die Verzweigungsstelle f6 ist ein Spannungswandler 32 geschaltet, der ausgangsseitig über einen Verstärker 33, eine Verzweigungsstelle 34, ein Glättungsglied 35 und eine Verzweigungsstelle 36 den Gleichspannungs-Istwert Udist mit negativem Vorzeichen der Summationsstelle 20 zuführt. Über die Verzweigungsstelle 34 wird das Ausgangssignal U0ist des Verstärkers 33 der Summationsstelle 5 mit positivem Vorzeichen zugeführt. Die Verzweigungsstelle 36 ist über einen Schalter 37 mit Nullpotential verbindbar. Der Schalter 37 wird in Abhängigkeit des Signales L (siehe Fig. 3) gesteuert. Die weitere Verschaltung der Verzweigungsstelle 36 ist in Fig. 4 dargestellt. Der Verzweigungsstelle 1 ist über einen Schalter 38 ein fester Gleichstrom-Sollwert Idsoll zuführbar. Der Schalter 38 wird in Abhängigkeit des Signals L (siehe Fig 3) gesteuert. In Fog. 2 ist eine zusätzliche Einrichtung zur Beeinflussung des Stromrichters 10 dargestellt. An die Verzweigungsstelle 4 ist ein Signalbereichsmelder 39 angeschlossen. Dem Signalbereichsmelder 39 nachgeschaltet sind ein Zeitglied 40 sowie ein Blocker 41. Das Ausgangssignal WR1 des Blockers 41 wird der Summationsstelle 9 mit positivem Vorzeichen zugeführt. In Fig. 3 ist eine weitere zusätzliche Einrichtung zur Beeinflussung des Stromrichters 10 dargestellt. Das an der Verzweigungsstelle 15 anstehende Signal Idist wird über eine weitere Verzweigungsstelle 42 Signalbereichsmeldern 43 und 44 zugeführt. Der Signalbereichsmelder 43 gibt ausgangsseitig ein Signal L = 1 ab, falls der Gleichstrom-Istwert Idist einen messbaren Wert überschreitet, d.h. falls Betrieb vorliegt Das Ausgangssignal des Signalbereichsmelders 43 beträgt L = 0, falls auch der Gleichstrom-Istwert Idist den Wert Null aufweist. Die Schalter 8, 23, 28, 34,37,33der Fig. 1 werden in Abhängigkeit des Signales L gesteuert. Der Signalbereichsmelder 44 gibt über die Verzweigungsstelle 45 ein Signal WR2 an die Summationsstelle 9 mit positivem Vorzeichen ab. Das Signal WR2 gelangt ferner zu einem Blocker 46 und zum ersten Eingang eines UND-Gliedes 47. Der zweite Eingang des UND-Gliedes 47 ist mit dem Ausgang des Blockers 46 verbunden. Das UND-Glied 47 gibt ausgangsseitig über einen weiteren Blocker 48 ein Signal WR3 mit positivem Vorzeichen an die Summationsstelle 9 ab. In Fig. 4 sind zusätzliche Einrichtungen für einen "Schnellrücklauf der Elektrode 17 bei Dauer-Kurzschluss und für ein "Schnellabsenken der Elektrode 17 bei Abrissgefahr des Lichtbogens" dargestellt. An die Verzweigungsstelle 4 ist ein Signalbereichsmelder 49 geschaltet. Der Ausgang des Signalbereichsmelders 49 ist mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes 50 verbunden, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgangssignal L des Signalbereichsmelders 43 (siehe Fig. 3) beaufschlagt wird. Ausgangsseitig steuert das UND-Glied 50 einen Schalter 51 an. Der Schalter 51 schaltet ein Signal S = zusätzlicher Senken-Geschwindigkeits Sollwert bei Abrissgefahr des Lichtbogens mit positivem Vorzeichen auf die Summationsstelle 24. Das an der Verzweigungsstelle 36 anstehende Signal Udist wird einem Signalbereichsmelder 52 zugeführt, dem ein Zeitglied 53 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Zeitgliedes 53 ist mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes 54 mit dem Signal verbunden, dessen zweiter Eingang;L des Signalbereichs- melders 43 (siehe Fig. 3) beaufschlagt wird. Ausgangsseitig steuert das UND-Glied 54 einen Schalter 55 an. Der Schalter 55 schaltet ein Signal H = zusätzlicher Heben-Geschwindigkeitssollwert bei Dauerkurzschluss mit positivem Vorzeichen auf die Summationsstelle 24. Nachfolgend wird die Funktionsweise der Regeleinrich- tung zur Regelung eines Gleichstrom-Lichtbogenofens mit ihren Zusatzeinrichtungen beschrieben. Es sind zwei unabhängige Regelkreise vorgesehen, und zwar ein Stromregelkreis (Strom Id) mit dem Stromrichter 10 als Stellglied und ein Spannungsregelkreis (Spannung Ud) mit der Elektrodenverstelleinrichtung 30 als Stellglied. Beide Regelkreise sind über die gemeinsame Regelstrecke, den Ofen (Drosselspule 11, Ofenwiderstand 12, Elektrode 17) miteinander verknüpft. Die Sollwerte 1soll' U 1 sind entweder über Sollwert- potentiometer frei und unabhängig voneinander einstellbar oder sie kommen von einem übergeordneten Leistungsregelkreis mit fester Leistungs-Strom-Spannungs-Zuordnung. Der Stromregler 3 wird wegen der Vorsteuerung des Stromrichters 10 mit der Lichtbogenspannungen U0ist über die Summationsstelle 5 auf den kurzgeschlossenen Ofen optimiert, d.h. auf einen ohmsch-induktiven Lastkreis. Durch die Vorsteuerung werden die Ofeneigenschaften aus dem Führungsverhalten des Stromregelkreises eliminiert. Der Stromregler 3 selbst hat PI-Übertragungsverhalten mit auf den Widerstand 12 des kurzgeschlossenen Ofenkreises und die Induktivität der Drosselspule 11 optimierten Parametern. Beim Lichtbogenabriss bzw. vor dem Auf setzen der Elektrode 17 auf den Schrott oder das Schmelzbad würde der Stromregler 3 wegen des fehlenden Stromistwertes Idist immer in die Gleichrichter-Grenzlage weglaufen. Der Gleichstrom 1d würde damit nicht entsprechend dem Führungsübertragungsverhalten des Stromregelkreises aufgebaut, sondern zunächst stark überschwingen, im Extremfall auf den durch die Drosselspule 11 begrenzten Scheitelwert. Dies wird durch die negative Rückführung der in der Summationsstelle 5 gebildeten Summe von Stromreglerausgangssignal und Vorsteuerwert U0iSt auf den Stromreglereingang bei 1dist = 0 verhindert, d.h. Schalter 8 ist geschlossen, wenn L = 0 ünd geöffnet, wenn L = 1. Da bei Idist = 0 die Ofenspannung U0ist gleich der Stromrichterausgangsspannung Ud ist (kein Spannungsabfall über der Drosselspule), wird durch diese Rückführung zur Summationsstelle 2 dem Stromregler 3 ein Stromistwert Idist von der Grösse des eingestellten Stromsollwertes Idsoll vorgetäuscht. Beim Verlassen des Betriebszustandes Idist = 0 befindet sich der Stromregler 3 im richtigen Arbeitspunkt und auch der Vorsteuerwert des Stromrichters 10 entspricht dem aktuellen Momentan-Wert der Ofenspannung. Der Aussteuergrad des Stromrichters 10 bei 1dist = 0 ist damit durch den eingestellten Stromsollwert definiert. Bei maximalem Stromsollwert 1soll wäre durch diese Massnahme allein noch kein Fortschritt hinsichtlich des Einschwingverhaltens des Laststromes Id erzielt. Deshalb wird beim logischen Signal L = 0 (d.h. 1dist = 0) der Gleichstrom Sollwert über den geschlossenen Schalter 38 (Schalter 38 bei wird/L = 0 geschlossen, bei L = 1 geöffnet) auf einen * fest eingestellten Wert Idsol reduziert. Es ist auch möglich, den Gleichstrom-Sollwert um einen festen Faktor herunterzusetzen. Der Stromrichter befindet sich damit bei Idist = in einem fest eingestellten oder dem vorgegebenen Sollwert entsprechenden Aussteuerungszustand. L Welcher Wert Idsoll bzw. welcher Faktor für ein günstiges Einschwingverhalten gewählt werden muss, kann leicht auf der Anlage gewonnen oder auch für den Kurzschluss (Spannungszeitfläche an der Drosselspule 11 soll einen Strom Id entsprechend dem eingestellten Sollwert aufbauen) voraus berechnet werden. Der Übergang vom so gesteuerten Betrieb bei Idist = 0 auf den geregelten Betrieb bei 1dist > 0 vollzieht sich dann wie nach einem Sollwertsprung auf den Stromregler 3. Bezüg- lich des Zündverhaltens des Lichtbogens hat die Beschränkung auf'einen bestimmten Aussteuerungszustand des Stromrichters 10 bei 1dist = 0 keine Konsequenzen, denn einerseits ist der maximale Momentanwert der Stromrichterausgangsspannung Ud gerade im teilausgesteuerten Betrieb sehr viel grösser als der jeweilige Mittelwert, andererseits ist eine Zündung des Lichtbogens durch die angelegte Spannung ohnehin nur bei sehr kleiner Wegstrecke s, d.h. in der Nähe des Ofenkurzschlusses möglich. Der Mittelwert der Lichtbogenspannung U0iSt wird indirekt über den gewählten Elektrodenabstand s geregelt. Natürlich ist die mittlere Lichtbogenspannung eigentlich durch die Ausgangsspannung des Stromrichters 10 gegeben. Diese wird vom Stromregler 3 jeweils so eingestellt, dass der Ofenstrom 1dist gleich dem eingestellten Sollwert Idsoll ist. Durch die Elektrodenverstelleinrichtung 30 darf dieser Stromregelkreis nicht behindert werden, der Lichtbogen darf nur bis zu einer solchen Länge gezogen werden, bei der der Stromregler 3 noch genügend Stell-Reserve bzw. Spannungshub zur Verfügung hat, um den Ofenstrom 1dist stabil zu halten, Unterhalb dieser Grenze kann die Ofenspannung Ud allerdings frei gewählt werden und über die durch die Elektrodenverstelleinrichtung 30 eingestellte Lichtbogenlänge s auch so nachgeführt werden, dass die Lichtbogenspannung im zeitlichen Mittelwert gleich dem vorgegebenen Sollwert Udsoll ist. Der Zeitbereich, über den der Spannungsistwert zu mitteln ist, wird hierbei in erster Linie durch die in der Elektrodenverstelleinrichtung 30 gegebenen Reaktionszeiten und Verzögerungszeiten bestimmt. Da diese Zeiten gross sind gegenüber den Ausregelzeiten im Stromregelkreis, kann bis auf den Spezialfall des Lichtbogenabrisses für den Spannungsregelkreis von der Randbedingung Idist ausGeGangen werden. Die Elektr'odenverstelleinrichtung 30, z.B. eine hydraulische Pumpe mit einer Verstellmechanik und einem Elektrodengeschwindigkeitsregler, kann für den überlagerten Spannungsregelkreis vereinfacht als ein Verzögerungsglied erster Ordnung zusammengefasst werden. Der Spannungsregler 20 hat damit ebenfalls PI-Verhalten. Da der Zusammenhang zwischen Lichtbogenspannung U0iSt und Lichtbogenlänge s (= ElektrÏdenabstand) nicht linear ist und auch vom Lichtbogenstrom Idist abhängt, können für den Spannungsregler 21 keine optimalen Parameter fest eingestellt werden, vielmehr muss das. Zeitverhalten des Reglers 21 dem jeweiligen aktuellen Ofenbetriebspunkt angepasst werden (adartierbarer Regler). Der Spannungssollwert Udsoll wird zunächst der Transformatorstufe des Stromrichtertransformators und damit dem möglichen Spannungshub des Stromrichters 10 entsprechend mittels des Begrenzers 18 so hegrenzt, dass der Stromrichter 10 stationär maximalknappunterhalb der Gleichrichtergrenzlage betrieben wird. Der Sollwert UdSOll wird mit Hilfe des Glättungsgliedes 19 geglättet, um bei Spannungssollwertsprüngen kein Überschwingen des Istwertes Udist zu bekommen, was unter Umständen ein Abreissen des Lichtbogens bewirken könnte. Der dem Spannungsregler 21 über die Summationsstelle 20 zugeführS Istwert Udist wird mittels des Glättungsgliedes 37 ebenfalls geglättet. Beim Abreissen des Lichtbogens ist der Spannungsistwert U0iSt am Ofen gleich der StromrichterauscJangsspannung Ud. ähnlich wie beim Stromregler 3 sind daher für den Spezialfall des Lichtbogenabrisses spezielle Steuereingriffe vorgesehen Vor dem Lichtbogenabriss wird die Lichtbogenspannung U0iSt mit zunehmender -Lichtbogenlänge s ebenfalls ansteigen. Das bedeutet, dass bei positiver Differenz Udsoll - Udist die Elektrode- 17 angehoben wird, um die Lichtbogenlänge zu vergrössern. Beim Lichtbogenabriss (Idi = 0) entspricht der Spannungs dist istwert Udist irgendeinem für den Str omaufb au günstigen Aussteuerungszustand des Stromrichters 10 (wie vorstehend beschrieben) der für den Spannungsregler 21 ohne Belang ist. Der Ofenspannungsistwert Udist wird daher mittels des geschlossenen Schalters 37 für Id = ebenfalls zu Null getastet (Schalter 37 wird bei L = 0 geschlossen, bei L = 1 geöffnet). Mit dem verbleibenden Sollwert Umso11 würde der Spannungsregler 21 über den I-Kanal nach kurzer Zeit mit maximaler Geschwindigkeit die Elektrode 17 heben, was genau verkehrt wäre, denn zum erneuten Zünden des Lichtbogens muss die Elektrode 17 gesenkt werden, im Extremfall bis zum Aufsetzen auf den Schrott. Dem Spannungsregler 21 ist daher eine Regelsinnumschaltung - Verstärker 26 - nachgeschaltet, die abhängig vom gleichen Signal Id = 0 das Vorzeichen des vom Spannungsregler 21 abgegebenen Elektrodenverstellungs-Geschwindigkeitssoll wert invertiert (Schalter 28 ist geschlossen, wenn L = 1 und geöffnet, wenn L = 0). Mit diesen Massnahmen würde die Elektrode 17 nach einem Lichtbogenabriss praktisch immer mit der Maximalgeschwindigkeit in den Schrott fahren. Führt man hingegen zusätzlich den Ausgang des Spannungsreglers 21 für 1d = O über die Verzweigungsstelle 22 negativ auf den Eingang des Reglers 21 über den Schalter 23 und die Summationsstelle 20 zurück, so entspricht die Geschwindigkeit immer exakt dem eingestellten Spannugssollwert (Schalter 23 ist geschlossen, wenn L = 0 und geöffnet, wenn L = 1). als einen am Signalbereichsmelder 49 einstellbaren Betr und liegt Betrieb vor (I ) 0, d.h. L = 1) so besteht die Gefahr, dass der Lichtbogen abreisst. Dies ist deshalb so, weil der Stromrichter 10 mit der Lichtbogenspannung U0ist vorgesteuert ist, und der Stromreglerausgang damit stationär immer nahe Null ist. Nur wenn der Stromistwert 1dist kleiner als der Sollwert Idsoll ist, verlässt der Stromregler 3 seine Nullage, weil der Stromrichter l;i an der Gleichrichtergrenzlage angelangt ist und die Gege:i spannung so gross ist, dass trotzdem ein zu kleiner Strom 1@ fliesst. Zusätzlich zu dem vom Spannungsregler 21 gelieferten Elektrodenverstellungs-Geschwindigkeitssollwert (der auch in Richtung "Senken" wirkt, da der Istwert Udist sehr gross ist) wird über den geschlossenen Schalter 51 und die Summationsstelle 24 ein "Senken"-Geschwindig- keitssollwert s addiert, um den Elektrodenabstand s vom Schrott (bzw. Schmelzbad) möglichst schnell soweit zu verringern, dass der Lichtbogenabriss verhindert wird und der Stromrichter 10 wieder in die Lage kommt, mit dem ihm verfügbaren Spannungshub die Stromregelaufgabe zu bewältigen. Gelingt dies nicht innerhalb einer am Zeitglied 40 (sieh Fig. 2) einstellbaren Zeit, so wird'bewusst für eine am Blocker 41 einstellbare Zeit mittels eines der Summation stelle 9 zugeleiteten Wechselrichtersbefehls WR1 auf den Steuersatz des Stromrichters 10 der Ofenstrom 1d abgebaut. Damit wird verhindert, dass bei einer Elektrodenverstellung von Hand der Lichtbogen versehentlich zu lang oder gar aus dem Deckel gezogen wird. Bei abgeschaltetem Ofen oder bei einer Elektrodenverstcl- lung von Hand wird der vom Spannungsregler 21 gelieferte Geschwindigkeitssollwert vorsorglich über den Schalter 29 auf Nullpotential gelegt, um ungewollte oder unnötige Elektrodenbewegungen zu vermeiden. Durch lmpulsverschiebung am Stromrichter 10 in die Wechselrichtergrenzlage wird der Ofenstrom 1d sehr rasch abgebaut. Bei Störungen oder auch beim betriebsmässigen Ausschalten wird diese Möglichkeit genutzt, um die Schaltkontakte eines dem Stromrichter 10 vorgeschalteten Leistungsschalters zu schonen. Zusätzlich wird ein Wechselrichterbefehl WR2 auf die Summationsstelle 9 (siehe Fig. 3) gegeben, wenn der Stromistwert 1dist einen am Signalbereichsmelder 44 einstellbaren Grenzwert überschreitet. Dieser Grenzwert wird so gewählt, dass er betriebsmässig auch unter Berücksichtigung der Welligkeit des Ofenstroms nicht erreicht wird. Bei einem Kurzschluss während des Betriebes wird der Grenzwert dann allerdings überschritten und es wird durch den daraus abgeleiteten Wechselrichterbefehl WR2 sichergestellt, dass kurzzeitig keine Impulse im Gleichrichterbetrieb mehr entstehen können. Die Wechselrichtergrenzlage wird so eingestellt, dass gerade keine positive Spannungszeitfläche an die Last gelegt wird. Diejenigen Halbleiter, die bei Eintritt des Kurzschlusses gerade den Laststrom geführt haben und praktisch den ganzen Stoss allein bewältigen müssen, werden so zu dem frühest möglichen Zeitpunkt abliommutiert, ab dem der Abbau des Kurzschlussstromes durch den Stromrichter 10 kontinuierlich fortgesetzt werden kann. Die Lastintegrale und damit die thermische Beanspruchung der am ungünstigsten belasteten Halbleiter werden dadurch minimal. Da der Wechselrichterbefehl WR2 nur so lange ansteht, wie der Stromistwert grösser als der am Signalbereichsmelder 44 eingestellte Grenzwert ist, wird der Laststrom Idist nicht abgebaut, sondern durch den Stromregler 3 beim Unterschrei ten des Sollwertes 1 abgefangen und wieder auf den dsoll alten Wert vor Eintritt des Kurzschlusses ausgeregelt. In ungünstigen Ofenbetriebszuständen können Kurzschlüsse und Widerzünden des Lichtbogens in sehr kurzer zeitlicher Folge auftreten. Eine solche kurze Folge von Stossbelastungen würde die Halbleiter thermisch unzulässig beanspruchen, da sie zwischenzeitlich nicht abkühlen können. Durch die Einrichtung gemäss Fig. 3, bestehend aus den Blockern 46 und 48 sowie dem UND-Glied 47 wird dies verhindert. Folgt ein zweiter Überstrom dem vorausgegangenen in einem zeitlich kürzeren Abstand als am Blocker 46 einstellbar, so wird für eine am Blocker 48 einstellbare Zeit über den Wechselrichterbefehl WR3 an die Summationsstelle 9 der Ofenstrom Idist abgebaut, so dass sich zwischenzeitlich das Bad beruhigen kann, Spriterablaufen können oder ähnliches. Nach dieser durch den Blocker 48 bestimmten Zeit wird der Ofen von den Reglern automatisch wieder in einen stabilen Betriebspunkt geführt.

Claims: A n s p r ii c h e 1. Regeleinrichtung für einen direkt beheizten Gleichstrom-Lichtbogenofen zum Schmelzen von Metall, mit einer Elektrodenverstelleinrichtung zur Einstellung des Abstandes zwischen Elektrode und Schmelzbad und einem Stromrichter zur Speisung der Elektrode mit Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromregelkreis mit einem Stromregler (3) vorgesehen ist, dem eingangsseitig die Differenz zwischen einem vorgebbaren Gleichstrom-Soll wert (Idsoll) und einem gemessenen Gleichstrom-Istwert (1 dist zugeführt wird und dessen Ausgangssignal; ;tit einem Gleichspannungs-Istwert (Udist) als Vorsteuerwert summiert und als Steuerspannungssignal (Ust) dem Stromrichter (10) zugeleitet wird, dass ein überlagerter Spannungsregelkreis mit einem Spannungsregler (21) vorgesehen ist, dem eingangsseitig die Differenz zwischen einem vorgebbaren Gleichspannungs-Sollwert (Udso. ) und einem gemessenen dsoll Gleicilspannungs-Istwert (Udist) zugeführt wird und der ein Ausgangssignal an die Elektrodenverstelleinrichtung (30) abgibt. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl Stromregler (3) als auch Spannungsregler (21) als PI-Regler ausgebildet sind. 3. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Lichtbogen abriss und vor dem ersten Zünden des Lichtbogens die Summe aus Str omreg 1er-Ausgangs signal und Vorsteuerwert über einen Schalter (8) negativ auf den Eingang des Strom regle(3) geführt wird, der Gleichstrom-Sollwert (IdSoll) über einen Schalter (38) auf einen vorbestimmten Festwert (IdSoll) eingestellt wird, der Gleichspannungs-Istwert (Udist) über einen Schalter (37) auf den Wert Null begrenzt wird, eine Regelsinnumschaltung des Ausgangssignales des Spannungsreglers (21) mittels eines Schalters (28) veranlasst wird und das Ausgangssignal des Spannungsreglers (2A) negativ auf dessen Eingang über einen Schalter (23) geführt wird. 4. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungs-Sollwert (Udsoll) mittels eines Begrenzers (18) in Abhängigkeit der eingestellten Stufe eines dem Stromrichter (10) vorgeschalteten Transformators begrenzbar ist. 5. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Glättungsw glieder (19, 35) zur Glättung von Gleichspannungs-Sollwert (UdSOll) und -Istwert (Udist) vorgesehen sind. 6. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung eines Dauerkurzschlusses zwischen Elektrode (17) und Schmelzbad ein Signalbereichsmelder (52) mit einstellbarem Ansprechpegel sowie ein nachgeschaltetes Zeitglied (53) vorgesehen sind, wobei dem Signalbereichsmelder (52) der Gleichspannungs-Istwert (Udist) zuführbar ist-(Fig. 4). 7. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten eines Dauerkurzschlusses zwischen Elektrode (17) und Schmelzbad der Elektrodenverstelleinrichtung (30) ein zu sätzliches "ESeben"-Signal < H) über einen Schalter (55) zuführbar ist teig. 4). 8. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung einer Lichtbogenabriss-Gefahr das Ausgangs signal des Stromreglers (3) einem Signalbereichsmelder (49) mit einstellbarem Ansprechpegel zuführbar ist (Fig. 4). 9, Regeleinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten einer Lichtbogenabriss-Gefahr der Elektrodenverstelleinrichtung (30) ein zusätzliches "Senken"-Signal tS) über einen Schalter (51) zuführbar ist (Fig. 4). 10. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verstellung der Elektrode (17) von Hand das der Elektrodenverstelleinrichtung (30) zugeleitete Signal mittels eines Schalters (29) auf den Wert Null begrenzbar ist 11. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Stromreglers (3) einer Serienschaltung aus einem Signalbereichsmelder (39) miteinstellbarem Ansprechpegel, einem Zeitglied (40) und einem Blocker (41) zugeleitet wird, wobei der Blocker (41) ein zusätzliches Steuerspannungssignal (WR1) zum Abbau des Gleichstromes (Idist) an den Stromrichter (10) abgibt (Fig. ?). 12. Regeleinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem Signalbereichsmelder (44) mit einstellbarer Ansprechschwelle eingangsseitig der Gleichstrom-Istwert (Idist) zugeführt wird und er ausgangsseitig ein zusätzliches Steuerspannungs- signal (WR2j zur kurzzeitigen Begrenzung des Gleichstromes (Idist) an den Stromrichter (10) abgibt (Fig. 3). 13. Regeleinrichtung nach Aspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (WR2) des Signalbereichsmelders (44) einem Blocker (46) und dem ersten Eingang eines UND-Gliedes (47) zugeführt wird, dass der Ausgang des Blockers (46) mit dem zweiten Eingang des UND-Gliedes (47) verbunden ist und dass der Ausgang des UND-Gliedes (47) mit einem Blocker (48) verbunden ist, der ein zusätzliches Steuerspannungssignal < WR3) zum Abbau des Gleichstromes (I ) an den Stromrichter (10) abgibt d (Fig. 3).

Inventors: LANGLOTZ, HELMUT, MULLER, HEINZ, DIPL.-ING., Müller, Heinz, Dipl.-Ing.
Applicants: BROWN, BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: H05B7
IPC codes: H05B7, G05F1, C21C5