專利名稱：使用可變電抗器控制多個(gè)爐上的電功率的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及使用可變電抗器控制多個(gè)爐子上的電功率和/或電流的系統(tǒng)和方法，其中所述爐子從相同的電源提取電功率、電流。
背景技術(shù)：
存在某些期望通過功率或電流控制和電流不平衡補(bǔ)償來緩和和減輕可能由于功率或電流需量的波動(dòng)和不平衡而導(dǎo)致的低效率和潛在損害的情況。例如，在交流(AC)電弧爐(EAF)負(fù)載的情況下，在多個(gè)電極和爐子中的材料之間產(chǎn)生電弧，以加熱、熔化或冶煉金屬、礦石或其它材料。這些電弧表現(xiàn)為隨著時(shí)間變化并且主要是電阻性的阻抗。電弧電阻的變化引起爐子提取的功率和電流的相關(guān)變化。圖1A中圖解示出了電弧電阻、功率和電流之間的關(guān)系。
在圖1A中，曲線A示出了電弧電阻從低值(短路)到高值(電弧損失)的變化。示例性工作電阻和電流點(diǎn)在曲線A上用點(diǎn)標(biāo)出。圖1A的曲線B示出了對(duì)于相應(yīng)的電弧電阻變化由電弧提取的功率與電弧電流的關(guān)系曲線。示例性功率和電流工作點(diǎn)在曲線B上也用點(diǎn)標(biāo)出。由電弧電阻變化導(dǎo)致的功率或電流波動(dòng)影響電源系統(tǒng)并導(dǎo)致頻率和電壓擾動(dòng)，這可能消極地影響電源的運(yùn)行以及連接到相同電源的其它爐子負(fù)載。例如，電弧爐中的突然并且巨大的功率增加可能觸發(fā)卸載繼電器或發(fā)電機(jī)低頻繼電器跳閘，導(dǎo)致給該電弧爐的功率完全損失并且由于生產(chǎn)率損失而導(dǎo)致潛在的重大的經(jīng)濟(jì)損失。另外，在某些頻率的電壓波動(dòng)可能造成光閃爍。
當(dāng)AC EAF作為三相負(fù)載連接到三相電源時(shí)還出現(xiàn)了另一個(gè)問題。由于爐子中的電弧電阻在三相之間可能并不總是相等，所以各相之間的電流可能會(huì)不平衡。不平衡的電流又可能導(dǎo)致電壓不平衡，這可能影響其它負(fù)載的工作，如電動(dòng)機(jī)例如連接到相同電源的電動(dòng)機(jī)等的工作。如果該電流不平衡超過了電源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的不平衡電流限，那么該不平衡就可能會(huì)導(dǎo)致該電源系統(tǒng)內(nèi)的繼電器跳閘，導(dǎo)致給爐子的功率損耗。
傳統(tǒng)上，EAF的運(yùn)行由電極定位系統(tǒng)控制，以在功率、電流或阻抗的期望設(shè)定點(diǎn)工作。該電極定位系統(tǒng)通常依賴于活動(dòng)的機(jī)械部分，并且通常缺乏充分響應(yīng)快速電阻變化的速度和靈活性。
為了減少電阻波動(dòng)量，可以向爐子的電源增加一級(jí)或多級(jí)電抗器。這些串聯(lián)電抗器迫使EAF以較低的功率因子工作并且因此允許更穩(wěn)定地形成電弧。然而，只用電抗器可能不足以獲得期望的功率穩(wěn)定水平。另外，僅用電抗器不是降低電流不平衡的有效途徑。這是因?yàn)槠潆娍怪悼赡懿粫?huì)以電弧電阻變化那樣快的速度改變。
已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試來緩和電弧爐裝置中的功率波動(dòng)的影響。例如，Ma等人的美國(guó)專利No.6,603,795描述了一種用于通過使用可變電抗器控制和電極高度調(diào)節(jié)來降低有效功率波動(dòng)而穩(wěn)定電弧爐中的功耗的系統(tǒng)，在此通過引用的方式將其整個(gè)內(nèi)容納入本說明書。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)爐子的工作特性，如電極阻抗等，并且相應(yīng)地調(diào)節(jié)可變電抗?？梢酝ㄟ^調(diào)整將電抗器耦合到所述電路的一組可控硅的點(diǎn)火角度，來控制該電路中的電抗。
圖2示出了根據(jù)Ma等人的電弧爐的簡(jiǎn)化電路10的圖。該電路10示出了線電壓12、電弧阻抗14、固定電路電抗16以及可變電抗18。電弧阻抗14包括電弧電抗Xarc和電弧電阻Rarc。固定電路電抗16可以包括所述爐子變壓器以及任何電力電纜、導(dǎo)線和電源系統(tǒng)與電極之間的母線配件(bus work)的電抗，其中可以認(rèn)為該電抗相比于所述電弧阻抗14是恒定的。
Ma等人描述的功率控制系統(tǒng)響應(yīng)于所測(cè)量的所述爐子的特性而改變電弧爐的電極和電源線的電抗阻抗(reactive impedance)。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所述電弧爐中的電極所提取的電壓和電流，并確定電極阻抗?；谠撾姌O阻抗，所述功率控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電抗阻抗，以最小化所述電弧爐的功耗波動(dòng)，如電源所經(jīng)歷的。這通過調(diào)節(jié)可變電抗進(jìn)行。與該控制系統(tǒng)相關(guān)的響應(yīng)時(shí)間大約是一個(gè)電周期的數(shù)量級(jí)，提供了相對(duì)快的響應(yīng)。
Ma等人還描述了一種電極位置控制器，其基于所測(cè)量的電極特性控制電極定位系統(tǒng)，以調(diào)整電極高度。例如，該電極位置控制器可以通過監(jiān)測(cè)爐子的電壓和電流特性來監(jiān)測(cè)電極阻抗，并且可以調(diào)節(jié)電極的高度，以使電極阻抗變化所引起的功率波動(dòng)最小化。該控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)慢，是幾秒的數(shù)量級(jí)。
Ma等人的美國(guó)專利No.6,603,795所描述的系統(tǒng)一般能夠最小化功率擺動(dòng)(power swing)，并為單個(gè)爐子保持期望的設(shè)定點(diǎn)。然而，該系統(tǒng)在特定閾值以下使較大的功率下降(dip)最小化的能力有限。并且該系統(tǒng)沒有被設(shè)計(jì)成能最小化三個(gè)電相之間的負(fù)載不平衡。
圖1B說明了Ma等人的美國(guó)專利No.6,603,795所描述的系統(tǒng)在特定閾值以下使較大的功率下降最小化方面的限制。圖1B中的曲線C示出了就滿足具體的功率設(shè)定點(diǎn)而論為補(bǔ)償負(fù)載電阻的變化所要求的可變電抗。曲線D示出了考慮到可變電抗器的實(shí)際大小限制的情況下所獲取的可變電抗的量。還標(biāo)出了在期望工作點(diǎn)所需的電抗和電流。曲線E示出了當(dāng)在電路中插入曲線C的可變電抗時(shí)，對(duì)于相應(yīng)的電弧電阻變化電弧爐所提取的功率與所提取的電流的關(guān)系曲線。也標(biāo)出了所得到的工作點(diǎn)功率和電流。
如圖1B中所示，如果電極電流I下降到低于臨界值Icritical(例如，當(dāng)電弧在一個(gè)電極下熄滅時(shí))，則電路10將不能將功率保持在固定水平并且該功率將下降到低于功率設(shè)定點(diǎn)。臨界值Icritical與降低到其最小值的可變電抗18一致。還可能存在限制電路10在電流上升到高于最大電流值Imax時(shí)將功率維持在設(shè)定點(diǎn)的能力的最大可變電抗設(shè)置。
需要解決與用于控制電爐中的功率和/或電流的前述控制系統(tǒng)和方法有關(guān)的一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)或劣勢(shì)或進(jìn)行改進(jìn)，或者至少提供一種有用的替代方案。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各個(gè)方面總體涉及多個(gè)爐子的功率和電流調(diào)節(jié)。這些方面提供了用于調(diào)整多個(gè)爐子的功率和/或電流需量的系統(tǒng)和方法，以緩和一個(gè)或多個(gè)爐子內(nèi)的波動(dòng)或不平衡的電極電流對(duì)電源系統(tǒng)的影響。有利地，優(yōu)選的系統(tǒng)和方法修改一個(gè)爐子中的設(shè)定點(diǎn)，以在努力維持所有多相負(fù)載上的恒定的總功率和/或設(shè)定點(diǎn)的過程中補(bǔ)償對(duì)另一個(gè)爐子的設(shè)定點(diǎn)的偏離。與所述一個(gè)爐子相關(guān)的可變電抗器便于容易并快速地補(bǔ)償另一個(gè)爐子中的功率和/或電流消耗的變化。
在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及用于包括第一爐子和第二爐子的至少兩個(gè)電爐(electric furnace)的控制系統(tǒng)。每個(gè)爐子具有至少一個(gè)電極并耦合到電源。該控制系統(tǒng)包括至少一個(gè)可變電抗器、與該至少一個(gè)可變電抗器相關(guān)的可變電抗控制器以及耦合到該可變電抗控制器的補(bǔ)償控制器。該至少一個(gè)可變電抗器與至少第一爐子相關(guān)，并耦合在每個(gè)至少一個(gè)電極和電源之間。該可變電抗控制器與第一爐子相關(guān)，用于調(diào)整每個(gè)至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置。該補(bǔ)償控制器包括監(jiān)測(cè)裝置，該監(jiān)測(cè)裝置用于監(jiān)測(cè)所述至少兩個(gè)爐子各自的工作特性，以及確定第二爐子的工作特性是否偏離設(shè)定點(diǎn)一超過閾值量的量。該補(bǔ)償控制器還包括控制裝置，該控制裝置響應(yīng)于監(jiān)測(cè)裝置，用于當(dāng)所述工作特性偏離所述設(shè)定點(diǎn)一超過所述閾值量的量時(shí)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)。響應(yīng)于從補(bǔ)償控制器接收到一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，可變電抗控制器調(diào)整與第一爐子相關(guān)的至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置，以補(bǔ)償?shù)诙t子的工作特性對(duì)所述設(shè)定點(diǎn)的偏離。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種控制包括第一爐子和第二爐子的至少兩個(gè)爐子的方法。每個(gè)爐子具有耦合到電源的至少一個(gè)電極，并且至少第一爐子與耦合在該至少一個(gè)電極和電源之間的至少一個(gè)可變電抗器相關(guān)。該方法包括以下步驟監(jiān)測(cè)至少第二爐子的工作特性；確定該工作特性偏離第二爐子的第一設(shè)定點(diǎn)一超過閾值量的量；以及控制與第一爐子相關(guān)的所述至少一個(gè)可變電抗器來調(diào)整第一爐子的設(shè)定點(diǎn)，以補(bǔ)償該工作特性對(duì)第二爐子的所述設(shè)定點(diǎn)的偏離。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于包括第一爐子和第二爐子的多個(gè)多相電爐的控制的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括與第一爐子的每個(gè)相相關(guān)的可變電抗器、與第一爐子相關(guān)并電耦合到每個(gè)可變電抗器的電抗器控制器以及與第一和第二爐子相關(guān)并電耦合到該電抗器控制器的補(bǔ)償控制器。每個(gè)可變電抗器電耦合到電源的相應(yīng)相并被配置，以改變提供給其所連接到的相的功率。電抗器控制器根據(jù)功率設(shè)定點(diǎn)向可變電抗器提供各自的電抗器控制信號(hào)，以控制提供給每個(gè)相應(yīng)相的功率。補(bǔ)償控制器向電抗器控制器提供功率控制信號(hào)，以控制第一爐子的每個(gè)相的功率設(shè)定點(diǎn)。補(bǔ)償控制器被配置，以響應(yīng)于第二爐子的功耗偏離第二爐子的功率設(shè)定點(diǎn)一超過閾值量的量而產(chǎn)生所述功率控制信號(hào)。
在再一方面，本發(fā)明涉及用于包括第一爐子和第二爐子的至少兩個(gè)電爐的控制系統(tǒng)，每個(gè)爐子具有至少一個(gè)電極，并耦合到電源。該控制系統(tǒng)包括與至少第一爐子相關(guān)并且耦合在每個(gè)至少一個(gè)電極和電源之間的至少一個(gè)可變電抗器，以及與該至少一個(gè)可變電抗器相關(guān)的補(bǔ)償控制器，該補(bǔ)償控制器用于調(diào)整每個(gè)至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置。該補(bǔ)償控制器包括監(jiān)測(cè)裝置和控制裝置，該監(jiān)測(cè)裝置用于監(jiān)測(cè)該至少兩個(gè)爐子各自的工作特性以及每個(gè)可變電抗器的設(shè)置，并確定第二爐子的工作特性是否偏離設(shè)定點(diǎn)一超過閾值量的量，該控制裝置響應(yīng)于該監(jiān)測(cè)裝置，用于當(dāng)所述工作特性偏離所述設(shè)定點(diǎn)一超過所述閾值量的量時(shí)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)。響應(yīng)于從補(bǔ)償控制器接收到一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，調(diào)整與第一爐子相關(guān)的至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置，以補(bǔ)償?shù)诙t子的工作特性對(duì)所述設(shè)定點(diǎn)的偏離。
有利地，根據(jù)前述各個(gè)方面的本發(fā)明的實(shí)施方案便于快速補(bǔ)償多爐子系統(tǒng)中的功耗的變化，所述多爐子系統(tǒng)例如，諸如多爐子冶煉廠等，因此可以獲得相對(duì)恒定的總功耗。為實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)，至少其中一個(gè)爐子具有與每個(gè)相相關(guān)的可變電抗器，以改變各個(gè)相的電抗，并因此改變爐子的功率或電流消耗，以補(bǔ)償共用相同電源的另一個(gè)爐子的功率或電流消耗的變化。有利地，可變電抗器的電抗可以在幾分之一秒內(nèi)變化，大約每個(gè)電周期一次。
通過本發(fā)明的實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)的多爐子系統(tǒng)上的更恒定的功率和/或電流消耗降低了提供給爐子系統(tǒng)的電源被關(guān)閉的概率。這對(duì)于不能容忍大量偏離其指定工作條件的情況的弱或孤立(islanded)電源系統(tǒng)是特別有益處的。
現(xiàn)在將通過實(shí)施例參照附圖，附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施方案，并且其中 圖1A示出了說明電弧爐中的電弧電極的電弧電阻、電流和功率之間的關(guān)系的示例圖； 圖1B示出了說明使用耦合到電極的可變電抗器的電弧爐中的電弧電極的電弧電阻、電流、電抗和功率之間的關(guān)系的示例圖； 圖2示出了電弧爐的簡(jiǎn)化電路的每相圖； 圖3示出了由三相三線電力系統(tǒng)供電的多個(gè)電弧爐的簡(jiǎn)化電路圖； 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的功率控制系統(tǒng)的每相框圖； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的用于一個(gè)或多個(gè)爐子的控制系統(tǒng)的部分的框圖； 圖6是可以供圖5的控制系統(tǒng)使用的示例性控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框圖； 圖7是可以供圖5的控制系統(tǒng)使用的另一示例性控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框圖； 圖8圖解示出了在電弧損失狀態(tài)下第一爐子的相量圖(phasordiagram)的例子； 圖9圖解示出了補(bǔ)償圖8中所示的電弧損失狀態(tài)的其它爐子的相量圖的例子； 圖10圖解示出了在圖8和9中表示的爐子的總功率消耗的相量圖的例子； 圖11以流程圖的形式示出了穩(wěn)定多個(gè)負(fù)載提取的功率的方法； 圖12以流程圖的形式示出了補(bǔ)償多相負(fù)載中的不平衡的方法；以及 圖13以流程圖的形式示出了調(diào)整電極位置的方法。
具體實(shí)施例方式 雖然關(guān)于電弧爐通過具體實(shí)施例描述實(shí)施方案，但是本發(fā)明并不限于應(yīng)用于電弧爐。本發(fā)明的實(shí)施方案可以應(yīng)用于任何其它類型的具有波動(dòng)的有效或無效功率或電流需求的電負(fù)載，包括非電弧電極(non-arcing electrode)，或應(yīng)用于任何其它類型的三相不平衡負(fù)載，包括那些具有三或四線電源的。
雖然在此描述的實(shí)施方案總體涉及每相具有一個(gè)電極的三相、三線電弧爐，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可應(yīng)用于僅具有一個(gè)電極的爐子，無論是電弧電極還是非電弧電極以及是DC(直流)電極還是AC(交流)電極，或者應(yīng)用于具有其它數(shù)量的電極的爐子。具體地，本發(fā)明可以應(yīng)用于多相電源的每相具有兩個(gè)電極的爐子。例如，本發(fā)明可以應(yīng)用于具有六個(gè)電極的三相爐子。
應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于每一種電爐結(jié)構(gòu)，必須為通過電極的電流提供返回路徑。這可以通過三相電源的導(dǎo)線或可以通過與電源導(dǎo)線分離的專用導(dǎo)線。在一個(gè)電極的爐子的情況下，電流的返回路徑可以通過與不光滑(matte)或熔化的金屬電接觸的固定的導(dǎo)電介質(zhì)。
在三相負(fù)載的情況下也出現(xiàn)了關(guān)于圖1描述的這種保持功率設(shè)定點(diǎn)的困難，如將參照?qǐng)D3解釋的。圖3示出了多個(gè)電弧爐22(具有各自的電源電路F1、F2、...、Fn)的簡(jiǎn)化電路20。線電壓被以三相12a、12b、12c示出。每個(gè)爐子包括三個(gè)電弧電極，A、B和C(未示出)——每相一個(gè)。
電弧爐的每個(gè)電源電路的每相包括可變電抗18(分別顯示為XvarA1、XvarB1、XvarC1)以及固定電路電抗16。每相還包括電弧阻抗14，所述電弧阻抗14由電弧電抗(XarcA1、XarcB1、XarcC1)和在公共中性點(diǎn)N連接的電弧電阻(RarcA1、RarcB1、RarcC1)組成。通常，由于源電壓、電弧阻抗14以及可變電抗18在相之間是不平衡的，所以中性點(diǎn)N未必在地電位。
電弧阻抗隨時(shí)間而變化。對(duì)于每個(gè)爐子來說，可變電抗控制系統(tǒng)具有兩個(gè)目標(biāo)第一個(gè)目標(biāo)是縱使電弧阻抗變化也保持爐子功率盡可能接近設(shè)定點(diǎn)值；第二個(gè)目標(biāo)是縱使電弧阻抗變化也最小化爐子的電流不平衡。電弧阻抗之一的變化導(dǎo)致所有三個(gè)電流Ia1、Ib1、Ic1以及爐子功率的相應(yīng)變化。電弧阻抗的變化通常發(fā)生在一個(gè)或兩個(gè)相上，而不是所有三個(gè)相一起。因此，每個(gè)相的可變電抗18應(yīng)該被調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償功率的變化，以便調(diào)節(jié)功率和保持功率設(shè)定點(diǎn)。然而，該校正動(dòng)作有效的程度是有限度的，并且這個(gè)限度對(duì)應(yīng)于可變電抗18的可調(diào)節(jié)范圍(如圖1B中曲線D所示)。例如，在一個(gè)電弧熄滅的情況下，功率設(shè)定點(diǎn)可能不被保持，因?yàn)槊總€(gè)相上的可變電抗可以降低以補(bǔ)償電弧損失的程度有限。因此，這勢(shì)必導(dǎo)致電弧爐的相之間的不平衡。
在某種程度上，由于相的電弧阻抗14的變化而引起的爐子中的不平衡可以通過調(diào)節(jié)每個(gè)相的可變電抗18來補(bǔ)償。而且，保持功率設(shè)定點(diǎn)的目的可能與保持相平衡的目的相沖突。例如，在一個(gè)電弧熄滅的情況下完全平衡相可能涉及使其它相的電流降低為零，這將導(dǎo)致不希望的總功率降為零。
當(dāng)如圖3所示多于一個(gè)爐子從共同的電源被供電時(shí)，上述例子突出了對(duì)兩個(gè)附加目的的需要不管每個(gè)爐子的可變電抗的限制，保持所有爐子提取的總功率盡可能接近設(shè)定點(diǎn)；以及不管每個(gè)爐子的可變電抗的限制，最小化爐子提取的電流的總不平衡。
在三相三線負(fù)載的有效功率穩(wěn)定以及不平衡補(bǔ)償?shù)那闆r下，可以使用下述四個(gè)方程式表示這四個(gè)目的或控制目標(biāo) 對(duì)于每個(gè)三相負(fù)載 對(duì)于每個(gè)多相負(fù)載
其中并且
是負(fù)序電流。
該負(fù)序電流是對(duì)通過以下分解式(decomposition equation)給出的電流不平衡的測(cè)量 其中a＝-0.5+j0.866，I2是負(fù)序電流，Ia是相A的電流矢量，Ib是相B的電流矢量，Ic是相C的電流矢量。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明以上面給出的先后順序應(yīng)用上述四個(gè)控制目標(biāo)方程，即，最先兩個(gè)目的是保持單個(gè)爐子的功率設(shè)定點(diǎn)(方程1)以及最小化該單個(gè)爐子內(nèi)的功率不平衡(方程2)；并且如果通過調(diào)整該單個(gè)爐子內(nèi)的可變電抗18不能滿足這兩個(gè)條件，則調(diào)整其它爐子中的可變電抗18以滿足第三和第四個(gè)條件(方程3和4)。第三個(gè)條件是，無論該單個(gè)爐子的功率設(shè)定點(diǎn)Psp是否被滿足，總的加和功率應(yīng)該滿足總功率設(shè)定點(diǎn)Ptotalsp。第四個(gè)條件是，不論單個(gè)爐子內(nèi)的電流不平衡|I2|的狀態(tài)，所有聯(lián)合的爐子的總不平衡應(yīng)該最小化。
上述條件不都是必要條件。一些實(shí)施方案可以僅包括這些條件中的某些條件。另外，這些條件的優(yōu)先級(jí)可以不同。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，最小化總不平衡的目的(方程4)可以優(yōu)先于保持總功率設(shè)定點(diǎn)的目的(方程3)。而且，這些條件的優(yōu)先級(jí)可以隨時(shí)間變化。這是因?yàn)椴黄胶鈱?duì)電力系統(tǒng)的負(fù)面效應(yīng)大多數(shù)是熱相關(guān)的并且隨時(shí)間增加。然而，功率變化的不利影響與功率變化的速度有關(guān)，并且傾向于在發(fā)生突然功率變化以后立即就成為最大。因此，保持總有效功率設(shè)定點(diǎn)可以在發(fā)生大負(fù)載變化之后立即就具有較高的優(yōu)先級(jí)，以便最小化對(duì)電源頻率的影響。然而，對(duì)于持續(xù)的負(fù)載變化，最小化總不平衡變得更重要。
盡管上述表達(dá)式涉及保持每個(gè)負(fù)載的實(shí)(有效)功率設(shè)定點(diǎn)，但是它們可以被應(yīng)用于保持其它功率設(shè)定點(diǎn)。例如，它們可以被應(yīng)用到用于保持虛(無效)功率設(shè)定點(diǎn)、視在功率設(shè)定點(diǎn)或像功率因子設(shè)定點(diǎn)那樣的功率組合的系統(tǒng)。
在此對(duì)功率穩(wěn)定、功率設(shè)定點(diǎn)以及功率測(cè)量的參照可以同樣應(yīng)用于電流穩(wěn)定、電流設(shè)定點(diǎn)以及電流測(cè)量。換句話說，控制系統(tǒng)100可以以與提供功率穩(wěn)定相同的方式提供電流穩(wěn)定。
在一些實(shí)施方案中，電流不平衡補(bǔ)償可以具有保持預(yù)定水平的不平衡電流而不是最小化或消除不平衡電流的目標(biāo)或條件。
在一些實(shí)施方案中，與不同相有關(guān)的負(fù)載可以特意具有不同的功率和/或電流設(shè)定點(diǎn)，意指整個(gè)系統(tǒng)具有某受控水平的不平衡。例如，這樣的不平衡可能在爐子中是所希望的，以向最接近爐子排出口的電極提供更多功率和/或電流。這有助于局部加熱排出口區(qū)域中的熔融金屬，并且因此有助于局部降低熔融金屬粘度，并改善從爐子中排出液體材料的能力。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，其示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的功率控制系統(tǒng)100的框圖。該功率控制系統(tǒng)100包括兩個(gè)爐子(負(fù)載)，101a和101b。為了簡(jiǎn)化描述，圖中僅圖示了單相實(shí)施方案；然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解，所描述并圖示的單相控制的功能和工作原理可以擴(kuò)展到多相系統(tǒng)。另外，該功率控制系統(tǒng)可以用來控制提供給多于兩個(gè)爐子的功率。
在本說明書中，涉及用具有后綴-a和-b的參考標(biāo)號(hào)表示的部分或功能，為了方便在本說明書中參考，該后綴可以省略。例如，除非另有說明，“爐子101”將用來表示參考爐子101a和101b。
每個(gè)爐子101(在三相實(shí)施方案的情況下為每個(gè)相)包括耦合到爐子變壓器114的次級(jí)側(cè)的電極112。爐子變壓器114的初級(jí)側(cè)通過固定電路電抗116和可變電抗器118耦合到電源母線110。可變電抗器118可以替代地放置在變壓器114的次級(jí)側(cè)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，可變電抗器118包括電感器120，該電感器120與串聯(lián)連接的電感器123和可控硅開關(guān)122并聯(lián)連接。每個(gè)可控硅開關(guān)122包括彼此極性相反地布置的可控硅對(duì)。
每個(gè)爐子(或相)包括可變電抗器控制系統(tǒng)，該可變電抗器控制系統(tǒng)包括第一變壓器130，用于測(cè)量可變電抗器118的電源側(cè)的電壓；第二變壓器132，用于測(cè)量可變電抗器118的爐子側(cè)的電壓；變流器134，用于測(cè)量流到爐子變壓器114的主電流；以及電抗器控制器128。
該電抗器控制器128從所述第一和第二變壓器130和132、變流器134以及期望的功率設(shè)定點(diǎn)輸入136接收信息。所述電抗器控制器128基于使用這些信息執(zhí)行的計(jì)算控制可變電抗器118。
該電抗器控制器128可以包括可編程設(shè)備，諸如數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器、微處理器、個(gè)人計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)等。該電抗器控制器128可以在所存儲(chǔ)的包括計(jì)算機(jī)程序指令的程序控制的指引下工作，所存儲(chǔ)的程序控制實(shí)現(xiàn)在此描述的功能和操作并被存儲(chǔ)在諸如固件等存儲(chǔ)元件中。為所述電抗器控制器128適當(dāng)?shù)鼐幊桃詫?shí)現(xiàn)在此描述的功能或操作在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也可以理解，所述電抗器控制器128可以使用硬件和/或軟件的其它組合來實(shí)現(xiàn)。
電抗器控制器128通過調(diào)節(jié)可控硅122的點(diǎn)火角來控制可變電抗器118的電抗，從而增加或降低流過電感器123的電流?；趶乃龅谝缓偷诙儔浩?30、132以及變流器134獲取的不斷發(fā)展中的電流和電壓讀數(shù)，所述電抗器控制器128門控(gate)可控硅122以改變電抗，以調(diào)整由于電弧阻抗波動(dòng)而導(dǎo)致的電弧爐101中的功率擺動(dòng)或不平衡(相對(duì)于所期望的功率設(shè)定點(diǎn)136)。
每個(gè)爐子101(或相)可以進(jìn)一步包括電極位置控制器148，該電極位置控制器148從爐子變壓器114的次級(jí)側(cè)的變壓器158和變流器160接收輸入。該電極位置控制器148可操作地耦合到電極移動(dòng)系統(tǒng)154，電極移動(dòng)系統(tǒng)154用于調(diào)整電極112的高度以及因此調(diào)整電弧阻抗。因此，該電極位置控制器148可以調(diào)整電極112的高度，以補(bǔ)償電弧阻抗的變化。該電極定位系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間一般比可變電抗系統(tǒng)慢至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。
批進(jìn)料系統(tǒng)170耦合到每個(gè)爐子101，以向爐子101提供新的材料，來抵消處理過的材料從爐子101的移出。每個(gè)批進(jìn)料系統(tǒng)170由進(jìn)料速率控制器172控制。該進(jìn)料速率控制器172調(diào)整新材料的供應(yīng)，并具有耦合到電極位置控制器148的輸出，該進(jìn)料速率控制器172通過該輸出向電極位置控制器148提供與新材料的進(jìn)料速率相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)。該電極位置控制器148使用該數(shù)據(jù)信號(hào)，預(yù)測(cè)對(duì)電弧阻抗的改變或補(bǔ)償電弧阻抗的變化。例如，預(yù)測(cè)到將新材料引入一個(gè)爐子101a中，該電極位置控制器148a可以開始降低電極112a。
盡管電極112a降低并且由此導(dǎo)致電弧阻抗降低，電抗器控制器128a通過增加可變電抗器118a的電抗并因此防止功率超過功率設(shè)定點(diǎn)來保持爐子功率設(shè)定點(diǎn)水平。電極位置控制器148的預(yù)測(cè)動(dòng)作將電極112a定位在這樣的高度，以致減輕進(jìn)入爐子的新材料對(duì)電弧路徑的破壞。同時(shí)，電抗器控制器128通過調(diào)整可變電抗器118保持爐子功率設(shè)定點(diǎn)。
在完成將新材料送進(jìn)爐子中后，電極112通過電極位置控制器148被向其先前的位置提升，并且由此導(dǎo)致電抗器控制器128進(jìn)行調(diào)整，以確保在電極112移動(dòng)期間保持爐子功率設(shè)定點(diǎn)。
再參照?qǐng)D13，其以流程圖的形式示出了調(diào)整電極位置的方法600。該方法600始于步驟602，在步驟602電極位置控制器148從進(jìn)料速率控制器172接收進(jìn)料請(qǐng)求信號(hào)，該信號(hào)表示新的材料要輸入到爐子101中。該進(jìn)料請(qǐng)求信號(hào)可以由手動(dòng)操作員啟動(dòng)進(jìn)料指令導(dǎo)致，或可以在自動(dòng)進(jìn)料控制系統(tǒng)的情況下由自動(dòng)進(jìn)料指令導(dǎo)致。一旦電極位置控制器148接收到進(jìn)料請(qǐng)求信號(hào)，它就在步驟604使電極阻抗設(shè)置無效，并在步驟606開始降低電極112。
當(dāng)降低電極112的時(shí)候，在步驟608，電抗器控制器128通過調(diào)整可變電抗器118來保持功率和/或電流設(shè)定點(diǎn)。在步驟610，電極位置控制器148確定電極112是否已經(jīng)到達(dá)所期望的位置。電極位置控制器148可以基于電極阻抗和/或所計(jì)算的電弧長(zhǎng)度達(dá)到閾值作出決定。該閾值可以對(duì)應(yīng)于一高度，在此高度電極112與渣池直接接觸，從而最小化新材料破壞電弧路徑的可能性。將電極112降低到這樣的水平一般要花費(fèi)幾秒鐘的時(shí)間。
一旦電極112到達(dá)所期望的高度，則在步驟612中，電極位置控制器148就向進(jìn)料速率控制器172發(fā)送使能信號(hào)，以表示進(jìn)料速率控制器172現(xiàn)在可以著手將新的原料輸入爐子中。因此，在步驟614，進(jìn)料系統(tǒng)170開始向爐子101輸入新的材料。
在步驟616，進(jìn)料系統(tǒng)170向所述電極位置控制器發(fā)送完成信號(hào)(未示出)，以表示進(jìn)料過程結(jié)束。響應(yīng)于該信號(hào)，在步驟618，所述電極位置控制器開始收回或提高電極。再次，當(dāng)電極112的高度改變時(shí)，在步驟620，電抗器控制器128調(diào)整可變電抗器118的值，以保持功率和/或電流設(shè)定點(diǎn)。在步驟622，所述電極位置控制器148確定電極112是否已經(jīng)到達(dá)所期望的高度。該確定可以基于電極阻抗，該電極阻抗可以與在步驟604被暫時(shí)無效的電極阻抗設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較。一旦電極阻抗(或電弧長(zhǎng)度或其它測(cè)量)達(dá)到適當(dāng)?shù)脑O(shè)定點(diǎn)，則在步驟624，所述電極位置控制器148就保持電極位置并返回正常操作。
在該實(shí)施方案中，可以通過調(diào)整可變電抗器118、調(diào)整電極位置或通過兩者來補(bǔ)償電弧阻抗的波動(dòng)。還將會(huì)理解，電極位置的調(diào)整是一般需要比調(diào)整可變電抗器118更多的時(shí)間的校正動(dòng)作，可變電抗器118的調(diào)整可以隨電源電壓的每半個(gè)周期發(fā)生。因此，可變電抗控制系統(tǒng)(也就是說，可變電抗器118結(jié)合電抗器控制器128)可以比電極定位系統(tǒng)更快地響應(yīng)電弧阻抗的變化，允許電極定位系統(tǒng)有時(shí)間對(duì)變化作出反應(yīng)。
為了對(duì)功率和/或電流波動(dòng)反應(yīng)和/或控制不平衡，在此描述的方法和系統(tǒng)可以使用可變電抗控制系統(tǒng)、電極定位系統(tǒng)、或兩者來實(shí)現(xiàn)。盡管下述實(shí)施方案涉及使用可變電抗控制系統(tǒng)進(jìn)行功率和/或電流穩(wěn)定或不平衡補(bǔ)償，但是本發(fā)明并不限于使用可變電抗控制系統(tǒng)。其它實(shí)施方案可以只使用電極定位系統(tǒng)或使用結(jié)合可變電抗控制系統(tǒng)的電極定位系統(tǒng)。
再次參照?qǐng)D4，功率控制系統(tǒng)100還包括中央控制器200。該中央控制器200耦合到每個(gè)爐子(或相)，以接收關(guān)于每個(gè)爐子的工作特性的測(cè)量數(shù)據(jù)。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，該中央控制器200耦合到每個(gè)電抗器控制器128，并且特別耦合到每個(gè)變流器134，以接收每個(gè)爐子的電流測(cè)量。
該中央控制器200還包括耦合到每個(gè)電抗器控制器128或特地耦合到每個(gè)第一變壓器130的輸入，以接收每個(gè)爐子的可變電抗器118的電源側(cè)的電壓的測(cè)量。換句話說，中央控制器200接收每個(gè)爐子(或相)的電壓和電流測(cè)量。中央控制器200可以通過與專用附加變流器和變壓器、可變電抗控制電路中使用的變流器134和變壓器130的直接耦合，或間接從電抗器控制器128的一個(gè)或多個(gè)輸出端口，接收電壓和電流測(cè)量。將會(huì)理解，可以有借以向中央控制器200提供每個(gè)爐子(或相)的電壓和/或電流測(cè)量的其它布置。
通過中央控制器200監(jiān)測(cè)的工作特性包括每個(gè)可變電抗器118的設(shè)置或值?？勺冸娍蛊髟O(shè)置被從每個(gè)電抗器控制器128輸入到中央控制器200。例如，每個(gè)電抗器控制器128將其計(jì)算的電抗設(shè)置輸出到中央控制器200。
中央控制器200還包括用于接收總功率設(shè)定點(diǎn)值208的輸入。該總功率設(shè)定點(diǎn)值208是根據(jù)每個(gè)爐子的單獨(dú)期望功率設(shè)定點(diǎn)輸入136的總和計(jì)算得出的。優(yōu)選地，中央控制器200從每個(gè)電抗器控制器128接收單獨(dú)功率設(shè)定點(diǎn)值136，并通過將所接收到的值求和來計(jì)算總功率設(shè)定點(diǎn)值208。
中央控制器200可以包括數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器、微控制器或其它可編程設(shè)備，其用于執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器例如固件中的程序，以實(shí)現(xiàn)在此描述的功能。將會(huì)理解，中央控制器200的功能可以使用多個(gè)不同的硬件和/或軟件配置來實(shí)現(xiàn)。為中央控制器200合適地編程在考慮本說明書的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員知曉的范圍內(nèi)。
中央控制器200根據(jù)一個(gè)或多個(gè)上述條件調(diào)整所有爐子的整體操作(以及每個(gè)多相爐子的每個(gè)相上的功率)。因此，中央控制器200包括耦合到每個(gè)電抗器控制器128的第一輸出端口202。中央控制器200通過第一輸出端口202輸出第一控制信號(hào)，從而向電抗器控制器128提供指令，以調(diào)整可變電抗器118。在一個(gè)實(shí)施方案中，中央控制器200還包括耦合到電極位置控制器148的第二輸出端口204。中央控制器200通過第二輸出端口204輸出第二控制信號(hào)，從而向電極位置控制器148提供指令，以調(diào)整電極高度。所述第一和第二控制信號(hào)可以包括由中央控制器200計(jì)算的、滿足一個(gè)或多個(gè)條件的值。中央控制器200所計(jì)算的值將使電抗器控制器128所計(jì)算的值無效，以決定其對(duì)相應(yīng)可變電抗器118的控制。
在一個(gè)實(shí)施方案中，中央控制器200穩(wěn)定多個(gè)三相負(fù)載的功耗，以便滿足上述的第一和/或第三個(gè)條件。所述第一條件(由方程1例示)要求爐子的每個(gè)電極所提取的功率的總和等于該爐子的功率設(shè)定點(diǎn)值。所述第三個(gè)條件(由方程3例示)要求所有爐子的單獨(dú)功耗的總和等于整個(gè)系統(tǒng)的總功率設(shè)定點(diǎn)值。
中央控制器200監(jiān)測(cè)每個(gè)爐子(或相)的工作特性，并確定爐子(或相)是否已經(jīng)不能單獨(dú)地補(bǔ)償功率下降。例如，給定的三相爐子A可能經(jīng)歷三相功率下降，并可能試圖使用可變電抗器118來補(bǔ)償。中央控制器200監(jiān)測(cè)電流和電壓以及爐子A中的可變電抗器118的設(shè)置。
如果可變電抗器118的設(shè)置達(dá)到最小或最大值，并且爐子A所提取的功率偏離爐子A的功率設(shè)定點(diǎn)PspA的量超過預(yù)定量P，那么中央控制器200將運(yùn)行，以補(bǔ)償該偏離。中央控制器200計(jì)算爐子A所提取的功率低于(或高于)所期望的功率設(shè)定點(diǎn)PspA的程度，并且指示其余的爐子將其所提取的功率增加或降低一定的量，以補(bǔ)償爐子A中的功率偏離。
類似地，例如，在單個(gè)三相爐子中，一個(gè)相可能經(jīng)歷功率的下降或增加，并且中央控制器200可能試圖使用與該相相關(guān)的可變電抗器118進(jìn)行補(bǔ)償。如果用于該相的可變電抗器控制器128由于可變電抗器118的設(shè)置達(dá)到最大或最小值并且功率還沒有回到其設(shè)定點(diǎn)而不能進(jìn)行補(bǔ)償，則中央控制器200確定用于該相的可變電抗器控制器128不能單獨(dú)解決該功率改變。因此，中央控制器200可以確定其余相必須增加或降低其所提取的功率以補(bǔ)償一個(gè)相上的不足或增加的量。然后它發(fā)出控制信號(hào)，以指示其余相上的可變電抗器控制器128通過調(diào)整其功率設(shè)定點(diǎn)并且因此調(diào)整其可變電抗器118的電抗值來調(diào)整其功耗。
再參照?qǐng)D11，其示出了穩(wěn)定至少兩個(gè)負(fù)載的功耗的方法400的流程圖。該方法400始于步驟402，在步驟402中央控制器200監(jiān)測(cè)爐子中的電負(fù)載的工作特性。具體而言，中央控制器200監(jiān)測(cè)負(fù)載是否工作在預(yù)定的功率設(shè)定點(diǎn)。它還監(jiān)測(cè)每個(gè)負(fù)載的可變電抗器的值或設(shè)置是否已經(jīng)達(dá)到最大或最小設(shè)置。在步驟404，中央控制器通過評(píng)估負(fù)載所提取的功率是否已經(jīng)偏離設(shè)定點(diǎn)來確定是否需要校正動(dòng)作。它還評(píng)估與該負(fù)載相關(guān)的可變電抗器(或在三相負(fù)載的情況下，三個(gè)可變電抗器中的任何一個(gè))是否已經(jīng)達(dá)到最大或最小值。如果這兩種狀況已經(jīng)發(fā)生，那么中央控制器識(shí)別出需要進(jìn)行補(bǔ)償來穩(wěn)定功耗，并且該方法繼續(xù)到步驟406。如果這些狀況不存在，即，如果所提取的功率沒有偏離設(shè)定點(diǎn)或相關(guān)的可變電抗器沒有達(dá)到最大或最小值，那么該方法返回到步驟402，以繼續(xù)監(jiān)測(cè)形勢(shì)。
將會(huì)理解，所述負(fù)載可以是單獨(dú)的三相爐子中的每相負(fù)載，或者可以是與多個(gè)爐子相關(guān)的三相負(fù)載。在后者的情況下，所述中央控制器可以接收每個(gè)爐子中的每個(gè)相的單獨(dú)輸入，并且可以監(jiān)測(cè)每個(gè)爐子中的每個(gè)相的可變電抗器。
在步驟406，所述中央控制器確定其必須采取校正動(dòng)作以保持整體的總功率設(shè)定點(diǎn)的程度。它計(jì)算所測(cè)量的提取功率和整體的總功率設(shè)定點(diǎn)之間的差。例如，如果其中一個(gè)負(fù)載具有70MW的功率設(shè)定點(diǎn)，并且已經(jīng)下降到50MW的實(shí)際功耗，并且其它兩個(gè)負(fù)載在70MW的功率設(shè)定點(diǎn)提取功率，那么有20MW的不足。
在步驟408，所述中央控制器確定補(bǔ)償所計(jì)算的差而在其它爐子(而不是經(jīng)受困難的爐子)中所需的功率變化。所述中央控制器可以采用很多規(guī)則或算法來確定其它負(fù)載應(yīng)該補(bǔ)償功率不足的程度。在一些實(shí)施方案中，所需的附加功耗可以在其它爐子之間平均分配。在其它實(shí)施方案中，可以應(yīng)用更復(fù)雜的規(guī)則確定所需的附加功耗的相對(duì)分配。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述中央控制器可包括存儲(chǔ)查找表的存儲(chǔ)器。該查找表可以為與具體負(fù)載相關(guān)的具體功率不足規(guī)定其它負(fù)載要實(shí)現(xiàn)的相應(yīng)功率增加。所述中央控制器還可以針對(duì)落在該查找表中的兩個(gè)條目之間的值應(yīng)用插值法。該查找表的值可以部分基于電源的熱短期能力曲線(thermal short term capability curve)以及具體爐子工作點(diǎn)的過程(process)。
一旦中央控制器200已經(jīng)確定補(bǔ)償功率不足對(duì)其它負(fù)載所要求的相對(duì)功率增加，那么在步驟410它就向與所述其它負(fù)載相關(guān)的可變電抗器控制器128發(fā)出功率越權(quán)(override)命令。例如，它可以發(fā)送指定特定負(fù)載的新功率設(shè)定點(diǎn)的控制信號(hào)。替代地，它可以發(fā)送指定特定負(fù)載的現(xiàn)有功率設(shè)定點(diǎn)應(yīng)該增加的增量的控制信號(hào)。該功率越權(quán)命令還可以包括越權(quán)持續(xù)時(shí)間。該越權(quán)持續(xù)時(shí)間可以是存儲(chǔ)在中央控制器200中的預(yù)定值。該越權(quán)持續(xù)時(shí)間可以取決于情況并且可以由查找表指定。
在步驟412，與所述其它負(fù)載相關(guān)的每個(gè)可變電抗器控制器128接收其功率越權(quán)命令，并相應(yīng)地調(diào)整其特定負(fù)載的功率設(shè)定點(diǎn)。在步驟414，可變電抗器控制器128通過確定其相關(guān)的可變電抗器118的新值對(duì)調(diào)整的特定負(fù)載的功率設(shè)定點(diǎn)作出反應(yīng)。相應(yīng)地，可變電抗器的值被改變，并且每個(gè)所述其它負(fù)載提取的功率發(fā)生改變，以滿足調(diào)整的特定負(fù)載的功率設(shè)定點(diǎn)。可變電抗器控制器128保持這些調(diào)整的特定負(fù)載的功率設(shè)定點(diǎn)，直到越權(quán)持續(xù)時(shí)間終止。
在步驟416，可變電抗器控制器128確定越權(quán)持續(xù)時(shí)間是否已經(jīng)終止。如果已經(jīng)終止，那么在步驟418，它們重新設(shè)置其特定負(fù)載的功率設(shè)定點(diǎn)，以移除越權(quán)分量并返回正常操作。然后所述方法400返回到步驟402，在步驟402中央控制器200繼續(xù)其監(jiān)測(cè)功能。
在一個(gè)替代實(shí)施方案中，在步驟418，中央控制器200重新評(píng)估負(fù)載的功耗，并確定有問題的負(fù)載是否已經(jīng)返回到正常操作，例如，功率不足問題是否已經(jīng)解決。如果已經(jīng)解決，那么它就取消越權(quán)命令并返回步驟402。如果沒有解決，那么它可以延長(zhǎng)越權(quán)時(shí)間，根據(jù)查找表中的進(jìn)一步指示修改越權(quán)命令，或者取消越權(quán)并提醒操作者該問題。
在另一個(gè)替代實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)100不以與每個(gè)可變電抗器118相關(guān)的各個(gè)可變電抗控制系統(tǒng)128為特征。相反，中央控制系統(tǒng)200直接控制每個(gè)可變電抗器118。例如，三相負(fù)載可以具有用于每個(gè)相的可變電抗器118，并且控制系統(tǒng)100可以提供耦合到每個(gè)可變電抗器118的中央控制器200，用于監(jiān)測(cè)每個(gè)相的工作特性以及管理對(duì)每個(gè)可變電抗器118的相應(yīng)調(diào)整。這樣的實(shí)施方案可以實(shí)現(xiàn)為Y結(jié)構(gòu)的三相負(fù)載，即，通過沒有中性線連接的3線系統(tǒng)供電的負(fù)載。
可以將不同的設(shè)定點(diǎn)用于三相負(fù)載的每個(gè)相，導(dǎo)致預(yù)定水平的不平衡。三個(gè)負(fù)載的相互關(guān)系導(dǎo)致方程組，中央控制器200解該方程組，以確定為解決對(duì)其中一個(gè)或多個(gè)設(shè)定點(diǎn)的偏離而必需的對(duì)所有三個(gè)可變電抗器的調(diào)整。一個(gè)可變電抗器118的變化影響所有相的工作特性。為了調(diào)整相的特性，以便解決對(duì)設(shè)定點(diǎn)的偏離，對(duì)所有的可變電抗器118進(jìn)行調(diào)整?？紤]所有相的特性，確定對(duì)每個(gè)可變電抗器的調(diào)整。
除實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定功能以外，或作為對(duì)實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定功能的替代，中央控制器200可以實(shí)現(xiàn)不平衡補(bǔ)償功能。上面列出的第二個(gè)條件(方程2)表示三相負(fù)載中的不平衡應(yīng)該最小化。第四個(gè)條件(方程4)表示多個(gè)三相負(fù)載的系統(tǒng)中的總不平衡應(yīng)該最小化。
再次參照?qǐng)D4，中央控制器200監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)三相負(fù)載中的不平衡的程度。在具有三相負(fù)載的單個(gè)爐子的情況下，中央控制器200確定該三相負(fù)載中的不平衡的程度，并向可變電抗器控制器128提供校正指令，以最小化該不平衡。在各具有三相負(fù)載的多個(gè)爐子的情況下，中央控制器200確定爐子的整個(gè)組合是否表現(xiàn)出不平衡。它可以評(píng)估總不平衡是否是由一個(gè)爐子中的顯著不平衡引起的，以及該爐子是否不能補(bǔ)償。然后它向其余的爐子提供校正指令。
例如，在單個(gè)爐子的情況下，中央控制器200監(jiān)測(cè)每個(gè)相中的電流，并根據(jù)方程5確定爐子的負(fù)序電流I2。如果負(fù)序電流I2的計(jì)算表明該爐子不平衡，那么中央控制器200可以確定校正動(dòng)作，以最小化該不平衡。例如，它可以得出結(jié)論該不平衡是一個(gè)相中的低電流測(cè)量導(dǎo)致的，并且它可以通過降低其它兩個(gè)相中的電流來校正該不平衡。這將導(dǎo)致功耗降低，并且需要對(duì)照保持功率設(shè)定點(diǎn)的目的進(jìn)行評(píng)價(jià)。中央控制器200可以包括存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用于針對(duì)給定情況決定適當(dāng)?shù)男Ｕ齽?dòng)作的邏輯規(guī)則或查找表。
為了補(bǔ)償不平衡的情況，中央控制器200向可變電抗器控制器128輸出命令信號(hào)，并且作為響應(yīng)，可變電抗器控制器128調(diào)整其相關(guān)的可變電抗器118的電抗。如上所述，在一個(gè)實(shí)施方案中，所述命令信號(hào)可以包括將用于替換負(fù)載的正常功率設(shè)定點(diǎn)的越權(quán)功率設(shè)定點(diǎn)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述命令信號(hào)可以包括增量形式的功率設(shè)定點(diǎn)增加或降低。可以使用其它命令信號(hào)替代設(shè)定點(diǎn)越權(quán)信號(hào)，包括指定電流設(shè)定點(diǎn)或可變電抗器值或設(shè)置。
再參照?qǐng)D5，更詳細(xì)地描述中央控制器200。中央控制器200的功能是監(jiān)測(cè)并控制可變電抗器118以及電極位置控制器148，以確保每個(gè)爐子中的每個(gè)相及每個(gè)爐子本身在其設(shè)定點(diǎn)工作。為此，中央控制器200直接或通過中間控制器(如下面將描述的)與可變電抗器控制器128通信，以促成對(duì)可變電抗器118的電抗值的調(diào)整。
中央控制器200由于其監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償功能，也被稱為補(bǔ)償控制器或總控制器，其包括計(jì)算機(jī)處理器220，該計(jì)算機(jī)處理器可以包括單個(gè)中央處理器(CPU)或多個(gè)處理器。計(jì)算機(jī)處理器220執(zhí)行軟件模塊形式的計(jì)算機(jī)程序指令，所述軟件模塊被編程來促成在此描述的監(jiān)測(cè)和控制功能。由計(jì)算機(jī)處理器220執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序指令存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器222中，并在必要時(shí)被計(jì)算機(jī)處理器220訪問。中央控制器200還包括可以由計(jì)算機(jī)處理器220訪問的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)器226，該數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)器226用于存儲(chǔ)包含與具體設(shè)定點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的電抗值和/或可控硅門控角值的查找表。數(shù)據(jù)庫226還可以包含中央控制器200在其監(jiān)測(cè)和控制功能運(yùn)行期間所接收的歷史和分析數(shù)據(jù)。
中央控制器200還包括用于允許爐子的操作員與中央控制器200進(jìn)行交互的用戶接口224，或與其相關(guān)。用戶接口224可以是任何形式的標(biāo)準(zhǔn)用戶接口設(shè)備，包括，例如一個(gè)或多個(gè)顯示器、鍵盤和諸如鼠標(biāo)之類的光標(biāo)定位設(shè)備。而且，用戶接口224可以包括網(wǎng)絡(luò)連接，用于從連接到網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)計(jì)算機(jī)終端到中央控制器220的分布式接口。
在多個(gè)爐子的情況下，中央控制器200可以監(jiān)測(cè)多個(gè)三相負(fù)載的總功率或電流不平衡，以及每個(gè)三相負(fù)載的定位系統(tǒng)和可變電抗器118的設(shè)置。中央控制器200還可以，或可以替代地，監(jiān)測(cè)多個(gè)三相負(fù)載中的任何一個(gè)中的顯著功率或電流不平衡。如果存在不平衡的情況并且一個(gè)或多個(gè)可變電抗器118在其最大或最小設(shè)置，那么可能需要中央控制器200進(jìn)行校正動(dòng)作來補(bǔ)償一個(gè)爐子的能力缺乏，以通過根據(jù)修改的設(shè)定點(diǎn)調(diào)整另一個(gè)爐子的可變電抗器和/或電極位置來達(dá)到所述一個(gè)爐子的設(shè)定點(diǎn)。
在多個(gè)爐子的情況下，每個(gè)爐子可以具有其自己的“中央”或“中間”級(jí)別的控制器，該控制器耦合到與三個(gè)相負(fù)載相關(guān)的三個(gè)可變電抗器控制器128。于是中央控制器200可以直接與中間控制器通信。換句話說，可以有控制器的“嵌套”。替代地，如圖6所示，可變電抗器控制器128可以控制多于一個(gè)可變電抗器，并且直接與中央控制器200通信。從而，可變電抗器控制器128可以充當(dāng)形式中間控制器。如圖7所示，中央控制器200還可以，或可以替代地，直接與每個(gè)相的可變電抗器控制器128通信。
為了監(jiān)測(cè)每個(gè)負(fù)載的不平衡，中央控制器200可以直接通過變流器134接收電流測(cè)量。在另一個(gè)實(shí)施方案中，中央控制器200可以從每相可變電抗器控制器128獲取電流測(cè)量。在還一個(gè)實(shí)施方案中，中央控制器200可以從每個(gè)爐子的中間控制器獲得電流測(cè)量。在其它實(shí)施方案中，中央控制器200可以從其相關(guān)的中間控制器接收所計(jì)算的每個(gè)三相爐子的不平衡狀況。
在任何情況下，中央控制器200監(jiān)測(cè)總不平衡和/或各個(gè)爐子的不平衡，并監(jiān)測(cè)與其中一個(gè)經(jīng)歷不平衡的爐子相關(guān)的可變電抗器是否在其設(shè)置范圍或值范圍的端點(diǎn)。這表示該爐子不能單獨(dú)補(bǔ)償不平衡情況。因此，中央控制器200試圖通過在一個(gè)或多個(gè)其它爐子中引入偏移不平衡來補(bǔ)償一個(gè)爐子的不平衡。中央控制器200以這種方式監(jiān)測(cè)并補(bǔ)償爐子系統(tǒng)中的所有爐子上的不平衡功率。
中央控制器200確定偏移與不平衡的爐子相關(guān)的負(fù)序電流I2所需的負(fù)序電流I2的量。如上面結(jié)合功率穩(wěn)定所解釋的，中央控制器200可以利用邏輯規(guī)則或算法來計(jì)算產(chǎn)生偏移負(fù)序電流I2對(duì)其余的爐子所要求的適當(dāng)?shù)淖兓?。中央控制?00可以查閱存儲(chǔ)在中央控制器200的存儲(chǔ)器222或數(shù)據(jù)庫226中的查找表，以確定采取適當(dāng)?shù)男Ｕ齽?dòng)作所要求的電抗值。該校正動(dòng)作可以包括指示其它爐子增加或降低一個(gè)或多個(gè)相上的功率或電流。
由中央控制器200發(fā)給中間控制器或可變電抗器控制器128的命令信號(hào)可以包括具體相的越權(quán)功率或電流設(shè)定點(diǎn)，并且可以包括越權(quán)持續(xù)時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施方案中，其中中央控制器200向中間控制器發(fā)送其命令信號(hào)，并且該命令信號(hào)指定對(duì)爐子要求的具體負(fù)序電流I2，另外該中間控制器可以存儲(chǔ)表明與具體負(fù)序電流I2、提取功率和電弧阻抗相關(guān)的可變電抗值的查找表?？梢允褂貌逯捣▉泶_定在該表中的條目之間的值。于是該中間控制器可以向每相可變電抗器控制器128發(fā)送指定其相關(guān)的可變電抗118的設(shè)置的控制信號(hào)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D12，其示出了補(bǔ)償一個(gè)或多個(gè)多相負(fù)載中的不平衡的方法500。該方法500始于步驟502，在步驟502中央控制器200監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)負(fù)載/相的工作特性。具體而言，中央控制器200監(jiān)測(cè)所述負(fù)載/相的不平衡是否超過閾值。該閾值可以被設(shè)置為零，意味著任何不平衡都將被注意到，但是在實(shí)踐中該閾值可以被設(shè)置為允許小量的不平衡而不觸發(fā)補(bǔ)償。例如，該閾值可以被設(shè)置為約10％。中央控制器200還可以監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)負(fù)載中的任何相的可變電抗器118的值或設(shè)置是否已經(jīng)達(dá)到最大或最小設(shè)置。
在步驟504，中央控制器200通過評(píng)估一個(gè)或多個(gè)負(fù)載中的不平衡是否超過閾值來確定是否需要校正動(dòng)作。它還可以確定導(dǎo)致總不平衡的具體負(fù)載，即不平衡負(fù)載。它還評(píng)估與不平衡負(fù)載相關(guān)的可變電抗器118的電抗是否已經(jīng)達(dá)到最大或最小值。如果已經(jīng)發(fā)生了這些狀況，那么中央控制器200識(shí)別出需要進(jìn)行補(bǔ)償以重新平衡功耗，并且該方法繼續(xù)到步驟506。如果這些狀況不存在，也就是說，如果整個(gè)系統(tǒng)是平衡的，或者如果相關(guān)的可變電抗器118沒有達(dá)到最大或最小值，那么該方法返回步驟502以繼續(xù)監(jiān)測(cè)形勢(shì)。
在步驟506，中央控制器200確定其必須采取校正動(dòng)作以補(bǔ)償所探測(cè)到的不平衡的程度。在單個(gè)多相負(fù)載的實(shí)施方案中，它確定一個(gè)相上的不平衡的幅度，并確定必須對(duì)其它相進(jìn)行的、以補(bǔ)償并平衡系統(tǒng)的調(diào)整。在多爐子的實(shí)施方案中，它確定不平衡的爐子的負(fù)序電流I2，以便確定對(duì)其它負(fù)載要求偏移負(fù)序電流的程度，以便平衡整個(gè)系統(tǒng)。
在步驟508，中央控制器200確定補(bǔ)償不平衡而在其它爐子(而不是經(jīng)受困難的爐子)中所需的電流和/或功率變化。例如，如將在下面結(jié)合圖4至圖6通過實(shí)施例描述的，在多負(fù)載的情況下，中央控制器200可以確定為消除可歸因于不平衡負(fù)載的負(fù)序電流而在每個(gè)相上所需的負(fù)序電流。然后中央控制器200可以將所需的每相負(fù)序電流分配到每個(gè)負(fù)載，并計(jì)算為引入足夠的不平衡來產(chǎn)生負(fù)序電流而在每個(gè)負(fù)載處所需的每相調(diào)整。
中央控制器200可以采用多種規(guī)則或算法來確定其它負(fù)載可以怎樣補(bǔ)償不平衡。在一些實(shí)施方案中，所需的不平衡可以在其它爐子之間平均分配。在其它實(shí)施方案中，可以采用更復(fù)雜的規(guī)則確定所需不平衡的相對(duì)分配。
在一個(gè)實(shí)施方案中，中央控制器200可以將查找表存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫226或存儲(chǔ)器222中。該查找表可以為具體的不平衡狀況指定其它負(fù)載的每個(gè)相上的、抵消不平衡的相應(yīng)功率和/或電流調(diào)整。中央控制器200還可以針對(duì)落在該查找表中的兩個(gè)條目之間的值使用插值法。
一旦中央控制器200已經(jīng)確定補(bǔ)償不平衡而對(duì)其它負(fù)載中的每個(gè)相要求的相對(duì)功率和/或調(diào)整，那么在步驟510它就向與所述其它相/負(fù)載相關(guān)的可變電抗器控制器128發(fā)送越權(quán)命令。例如，它可以發(fā)送指定特定負(fù)載的新功率或電流設(shè)定點(diǎn)的控制信號(hào)。替代地，它可以發(fā)送指定特定負(fù)載的現(xiàn)有功率或電流設(shè)定點(diǎn)應(yīng)該增加的增量的控制信號(hào)。該越權(quán)命令還可以包括越權(quán)持續(xù)時(shí)間。該越權(quán)持續(xù)時(shí)間可以是存儲(chǔ)在中央控制器200中的預(yù)定值。該越權(quán)持續(xù)時(shí)間可以取決于情況，并且可以由查找表指定。
在步驟512，與所述其它負(fù)載上的每個(gè)相相關(guān)的每個(gè)可變電抗器控制器128接收其越權(quán)命令，并相應(yīng)地調(diào)整其操作。例如，這可以包括調(diào)整特定負(fù)載(或特定相)的功率或電流設(shè)定點(diǎn)。在步驟514，可變電抗器控制器128調(diào)整其相關(guān)的可變電抗器118，以滿足由所述越權(quán)命令指定的越權(quán)設(shè)置。相應(yīng)地，可變電抗器118的值被改變，并且每個(gè)所述其它負(fù)載/相提取的功率和/或電流被改變?？勺冸娍蛊骺刂破?28保持該調(diào)整的特定負(fù)載的功率和/或電流設(shè)定點(diǎn)，直到越權(quán)持續(xù)時(shí)間終止。在步驟516，可變電抗器控制器128確定越權(quán)持續(xù)時(shí)間是否已經(jīng)終止。如果已經(jīng)終止，那么在步驟518它們重新設(shè)置其特定負(fù)載的功率和/或電流設(shè)定點(diǎn)，以移除越權(quán)分量并返回正常操作。然后所述方法500返回步驟502，在步驟502中央控制器200繼續(xù)其監(jiān)測(cè)功能。
在一個(gè)替代實(shí)施方案中，在步驟518，中央控制器200重新評(píng)估負(fù)載的不平衡，并確定有問題的負(fù)載是否已經(jīng)返回正常操作，例如，不平衡的問題是否已經(jīng)解決。如果已經(jīng)解決，那么它就取消越權(quán)命令并返回步驟502。如果沒有解決，那么它可以延長(zhǎng)越權(quán)時(shí)間，根據(jù)查找表中的進(jìn)一步指示修改越權(quán)命令，或者取消越權(quán)并提醒操作者該問題。
通常，所希望的是，使越權(quán)的持續(xù)時(shí)間相對(duì)短，以讓每個(gè)爐子保持其自己的設(shè)定點(diǎn)，如果可能的話。而且，功率設(shè)定點(diǎn)的增加可能超出某些電源部件的額定容量(rated capacity)，并且在持續(xù)時(shí)間上應(yīng)該受到限制，以使增加的設(shè)定點(diǎn)不超過設(shè)備的過載能力曲線。這樣的能力曲線一般允許比持續(xù)額定值大的短期容量，而不損害設(shè)備。因此，更短的越權(quán)持續(xù)時(shí)間允許更高的設(shè)定點(diǎn)增加。例如，變壓器過載曲線可能允許超過其額定值200％的增加持續(xù)幾秒鐘，但是允許只超過其額定值110％的增加持續(xù)最高達(dá)五分鐘。每個(gè)越權(quán)幅度的允許越權(quán)持續(xù)時(shí)間可以被計(jì)算，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫226中的查找表中。
設(shè)定點(diǎn)越權(quán)可以由于持續(xù)時(shí)間終止或引起越權(quán)的偏離被校正而結(jié)束。一旦越權(quán)結(jié)束，那么可以允許設(shè)定點(diǎn)返回其原始水平。該返回可以被允許以預(yù)定速率進(jìn)行，以便逐漸持續(xù)下降并避免功率值的大變化。例如，設(shè)定點(diǎn)可以被允許以大約每秒1％的速率降低或增加到其原始水平。
在方法500的一個(gè)實(shí)施方案中，步驟504還可以包括對(duì)于諸如功率或電流等給定的工作特性監(jiān)測(cè)偏離的程度以及偏離延長(zhǎng)的時(shí)間段。例如，如果監(jiān)測(cè)的工作特性對(duì)其設(shè)定點(diǎn)的偏離超過預(yù)定偏離(即超過閾值)，那么中央控制器200可以確定需要校正動(dòng)作。該預(yù)定的偏離程度還可以受持續(xù)時(shí)間的可接受時(shí)間段限制。
在中央控制器200確定需要校正動(dòng)作之前允許的偏離的程度和時(shí)間段互相成反比變化。例如，偏離的程度越大，該偏離被允許的時(shí)間段越短。相反，可以允許較小的偏離程度，以持續(xù)相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間段。例如，在采取校正動(dòng)作之前20％的偏離僅可被允許幾分之一秒，而少于5％的偏離可以被允許多秒鐘或幾分鐘。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，爐子之間的交叉補(bǔ)償可以執(zhí)行如下。中央控制器200監(jiān)測(cè)工作中的爐子的數(shù)量并監(jiān)測(cè)每個(gè)爐子中的設(shè)定點(diǎn)和實(shí)際功率、電流和不平衡。中央控制器200確定是否有爐子的任何工作特性已經(jīng)偏離其設(shè)定點(diǎn)一超過預(yù)定量的量，以及本地可變電抗控制器128是否還沒有校正該偏離。中央控制器200可以通過監(jiān)測(cè)相關(guān)爐子的可變電抗器設(shè)置以確定該設(shè)置是否已經(jīng)達(dá)到極限值以致不再是可調(diào)整的，來確定這一點(diǎn)。替代地，中央控制器200可以監(jiān)測(cè)偏離的時(shí)間段。長(zhǎng)于比如五個(gè)周期的偏離可能表示可變電抗器控制器已經(jīng)遇到調(diào)節(jié)極限，并且不能按照必需的補(bǔ)償所要求的進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。
如果所述中央控制器確定需要校正動(dòng)作，那么它基于其它工作的爐子的實(shí)際工作特性將偏離分配到這些爐子。然后中央控制器200向該其它爐子發(fā)送設(shè)定點(diǎn)越權(quán)命令并指定越權(quán)持續(xù)時(shí)間。如果在該越權(quán)持續(xù)時(shí)間期間第二設(shè)定點(diǎn)變化成為需要的，可以向在與這些爐子相關(guān)的可變電抗器的控制范圍內(nèi)的其余爐子發(fā)送另一設(shè)定點(diǎn)越權(quán)。下面在表1中對(duì)此進(jìn)行了說明，其中爐子F4的爐子功率在t0時(shí)刻從70兆瓦下降到30兆瓦，隨后爐子F3中的功率在t1時(shí)刻從100兆瓦下降到90兆瓦。
表1-隨時(shí)間的功率補(bǔ)償 F4的爐子功率從70下降到30，隨后F3的功率從100下降到90。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8、9和10，其圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施方案的相量圖。在該示例實(shí)施方案中，功率控制系統(tǒng)100(圖4)包括四個(gè)三相負(fù)載爐子F1、F2、F3和F4。爐子F1的相A上的電弧已經(jīng)熄滅。
圖8示出了基于爐子F1提取的電流的四個(gè)相量圖250、252、254、256。第一個(gè)相量圖250示出了該三相負(fù)載的三個(gè)相的a-b-c電流分量，其中一個(gè)相已經(jīng)被略去。具體而言，第一個(gè)相量圖250示出了相B電流分量258和相C電流分量260。由于相A上的電弧損失所以看不見相A電流分量。
三相矢量組可以分解成三組平衡矢量正序組(positive-sequence set)、零序組(zero-sequence set)以及負(fù)序組(negative-sequence set)。正序組中的所有相量具有相同的幅度，負(fù)序組和零序組中的所有相量也是如此。完全平衡系統(tǒng)會(huì)具有與a-b-c電流相量圖一致的正序組。不平衡系統(tǒng)將具有其相量具有非零幅度的負(fù)序組和/或零序組。對(duì)于三線系統(tǒng)，諸如實(shí)施例中的三線系統(tǒng)，零序電流不能流過，所以所有情況下的零序組可以具有零幅度。
在圖8中，第三個(gè)相量圖254示出了已經(jīng)損失相A上的電弧的情況下的相量的正序組。第四個(gè)相量圖256示出了負(fù)序組。該正序組包括相A、相B和相C的正序相量262、264和266。類似地，該負(fù)序組包括相A、相B和相C的負(fù)序相量268、270和272。應(yīng)當(dāng)注意到，將第三相量圖254和第四相量圖256求和會(huì)產(chǎn)生第一相量圖250，因?yàn)橄郃的正序相量262將抵消相A的負(fù)序相量268。
功率控制系統(tǒng)100識(shí)別出爐子F1中的功率已經(jīng)下降并且爐子F1的電抗器控制器128(圖4)已經(jīng)不能校正該功率下降和不平衡狀況。這四個(gè)爐子提取的總功率下降了爐子F1不足其功率設(shè)定點(diǎn)的量，并且爐子F1中的不平衡狀況導(dǎo)致這四個(gè)爐子提取的功率的總平衡狀況。因此，功率控制系統(tǒng)100指示爐子F2、F3和F4的電抗器控制器128調(diào)整爐子F2、F3和F4的可變電抗器118(圖4)，以增加這些爐子提取的功率，并引入一定程度的相不平衡，以抵消爐子F1引起的不平衡。
圖9示出了基于電抗器控制器128調(diào)整可變電抗器118之后爐子F2、F3和F4中的電流的四個(gè)相量圖280、282、284、286。第一個(gè)相量圖280示出了相A、相B和相C的電流相量288、290和292。相量288、290、292具有不同的幅度，并且相互的相位差不是120度——即它們是不平衡的。
第三個(gè)相量圖284示出了相A的正序相量294、相B的正序相量294和相C的正序相量，并且第四個(gè)相量圖286示出了相A、相B和相C的負(fù)序相量300、302和304。第四個(gè)相量圖286中的負(fù)序相量300、302、304的幅度表示通過調(diào)整爐子F2、F3和F4的可變電抗器118引入每個(gè)爐子F2、F3和F4中的不平衡的量。
圖10示出了所有四個(gè)爐子F1、F2、F3和F4提取的電流的總和的四個(gè)相量圖310、312、314、316。應(yīng)當(dāng)理解，電流的和是平衡的，如第四個(gè)相量圖316中沒有任何負(fù)序相量以及第一個(gè)相量圖310與第三個(gè)相量圖314之間的一致所表明的。
下面兩個(gè)表進(jìn)一步說明上述的實(shí)施例。第一個(gè)表，表2，示出沒有功率穩(wěn)定系統(tǒng)的情況下某些變量的值。第二個(gè)表，表3，示出功率控制系統(tǒng)100(圖4)進(jìn)行調(diào)整之后上述變量的值。
表2-沒有功率穩(wěn)定或不平衡補(bǔ)償 XvarAXvarBXvarC PSPP IAIBICI1I2I2/I1 歐姆 歐姆 歐姆 MW MW A A A A A ％ F13.9 3.9 3.9 70 35 0 1262 1262 729 729 100.0 F23.9 3.9 3.9 70 70 1458 1458 1458 1458 0 0.0 F33.9 3.9 3.9 70 70 1458 1458 1458 1458 0 0.0 F43.9 3.9 3.9 70 70 1458 1458 1458 1458 0 0.0 總和 280245 5103 729 14.29 表3-功率穩(wěn)定和不平衡補(bǔ)償 XvarAXvarBXvarC PSPPIA IB IC I1 I2I2/I1 歐姆 歐姆 歐姆 MW MW A A A A A ％ F1000 70 46 0 1443 1443 833833 100.0 F206.8 0.5 70 78 1783 1431 1373 1516 269 17.74 F306.8 0.5 70 78 1783 1431 1373 1516 269 17.74 F406.8 0.5 70 78 1783 1431 1373 1516 269 17.74 總和 280280 5371 490.91 在表2和3中，在上述兩種情況下爐子F1的相A上的電流都是零，并且第一個(gè)爐子F1是100％不平衡的。在這兩種情況下，每個(gè)爐子的期望的功率設(shè)定點(diǎn)是70MW，整體的總功率設(shè)定點(diǎn)是280MW。在沒有功率穩(wěn)定的情況下，其它三個(gè)爐子F2、F3和F4是完全平衡的，并在70MW的功率設(shè)定點(diǎn)工作。在這種情況下系統(tǒng)的總結(jié)果是功率下降約35MW，并且不平衡超過14％。
在第二種情況下——其中功率控制系統(tǒng)100已經(jīng)導(dǎo)致對(duì)爐子F2、F3和F4中的可變電抗118(圖4)進(jìn)行了調(diào)整，這四個(gè)爐子的總功耗通過增加爐子F2、F3和F4提取的功率而被保持在總功率設(shè)定點(diǎn)280MW。根據(jù)表3顯而易見的是，已經(jīng)對(duì)爐子F2、F3和F4中的可變電抗器118進(jìn)行了調(diào)整，為的是調(diào)整這些爐子的每個(gè)相所提取的電流，從而增加消耗的功率并增加每個(gè)爐子中的不平衡。引入爐子F2、F3和F4中的不平衡約為17.74％，不過效果是將發(fā)電機(jī)所經(jīng)歷的總的相不平衡降低到不足1％。
盡管可變電抗器118被示為包括單對(duì)可控硅開關(guān)，但是應(yīng)當(dāng)理解，其它結(jié)構(gòu)，例如，諸如多級(jí)可控硅開關(guān)，可以用于可變電抗器118。替代地，其它類型的功率開關(guān)可以用于取代可控硅。
在不偏離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特性的情況下，本發(fā)明可以以其它具體形式體現(xiàn)。本發(fā)明的某些改進(jìn)和修改對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的。因此，上述實(shí)施方案被認(rèn)為是說明性的而不是限制性的，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書而不是上述描述表示，因此旨在在權(quán)利要求的等同物的意義和范圍之內(nèi)的所有變化都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于包括第一爐子和第二爐子的至少兩個(gè)電爐的控制系統(tǒng)，每個(gè)爐子具有至少一個(gè)電極，并耦合到電源，所述控制系統(tǒng)包括
至少一個(gè)可變電抗器，該至少一個(gè)可變電抗器與至少第一爐子相關(guān)并耦合在每個(gè)至少一個(gè)電極和電源之間；
可變電抗控制器，該可變電抗控制器與所述至少一個(gè)可變電抗器和第一爐子相關(guān)，用于調(diào)整每個(gè)至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置；
補(bǔ)償控制器，該補(bǔ)償控制器耦合到所述可變電抗控制器并包括監(jiān)測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)所述至少兩個(gè)爐子各自的工作特性以及確定第二爐子的工作特性是否偏離設(shè)定點(diǎn)一超過閾值量的量；以及控制裝置，響應(yīng)于所述監(jiān)測(cè)裝置，用于當(dāng)所述工作特性偏離所述設(shè)定點(diǎn)一超過所述閾值量的量時(shí)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，其中，響應(yīng)于從所述補(bǔ)償控制器接收到一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，所述可變電抗控制器調(diào)整與第一爐子相關(guān)的至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置，以補(bǔ)償?shù)诙t子的工作特性對(duì)所述設(shè)定點(diǎn)的偏離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述控制裝置包括越權(quán)計(jì)算組件，用于計(jì)算除第二爐子之外的每個(gè)爐子的越權(quán)設(shè)置，并且其中所述一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)包括該越權(quán)設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其中所述補(bǔ)償控制器能訪問包含查找表的存儲(chǔ)器，并且其中所述越權(quán)計(jì)算組件從存儲(chǔ)在所述查找表中的多個(gè)越權(quán)設(shè)置中讀取所述越權(quán)設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制系統(tǒng)，其中存儲(chǔ)在所述查找表中的越權(quán)設(shè)置基于熱短期能力曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述設(shè)定點(diǎn)包括功率設(shè)定點(diǎn)，并且其中所述工作特性包括功耗。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中所述補(bǔ)償控制器確定第二爐子的功率設(shè)定點(diǎn)和第二爐子的功耗之間的差，并且其中所述控制裝置包括用于基于該差選擇越權(quán)設(shè)置的越權(quán)選擇組件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)爐子包括至少三個(gè)爐子，并且所述越權(quán)選擇組件在除第二爐子外的所述至少三個(gè)爐子之間分配所述差，并且其中所述一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)指示與除第二爐子外的這些爐子相關(guān)的每個(gè)可變電抗控制器改變這些爐子的功耗，以補(bǔ)償所分配的差。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中所述功率設(shè)定點(diǎn)選自由實(shí)功率消耗、無效功率消耗、視在功率消耗以及功率因子設(shè)定點(diǎn)組成的設(shè)定點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述設(shè)定點(diǎn)包括電流設(shè)定點(diǎn)，并且其中所述工作特性包括電流消耗。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述設(shè)定點(diǎn)是不平衡設(shè)定點(diǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述設(shè)定點(diǎn)是負(fù)序電流設(shè)定點(diǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述控制裝置還選擇表示補(bǔ)償時(shí)間的越權(quán)持續(xù)時(shí)間，并且其中所述一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)包括該越權(quán)持續(xù)時(shí)間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)爐子每一個(gè)包括耦合在每個(gè)至少一個(gè)電極和電源之間的至少一個(gè)可變電抗器，以及用于調(diào)整每個(gè)至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置的可變電抗控制器。
14.一種爐子系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)以及至少兩個(gè)爐子。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的爐子系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)爐子是電弧爐。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的爐子系統(tǒng)，其中所述電弧爐是AC電弧爐。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的爐子系統(tǒng)，其中所述電源是多相電源，并且每個(gè)至少一個(gè)電極耦合到所述電源的各個(gè)相。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量所述工作特性對(duì)所述設(shè)定點(diǎn)的偏離的程度，并且所述控制裝置僅當(dāng)該偏離程度超過所述閾值量時(shí)產(chǎn)生所述一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的控制系統(tǒng)，其中所述監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)所述工作特性對(duì)所述設(shè)定點(diǎn)的偏離的持續(xù)時(shí)間，并且所述控制裝置僅當(dāng)該持續(xù)時(shí)間等于或超過預(yù)定時(shí)間段并且所述偏離程度超過預(yù)定量時(shí)產(chǎn)生所述一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，所述預(yù)定量小于所述閾值量。
20.一種用于控制包括第一爐子和第二爐子的至少兩個(gè)爐子的方法，每個(gè)爐子具有耦合到電源的至少一個(gè)電極，至少第一爐子與耦合在所述至少一個(gè)電極和電源之間的至少一個(gè)可變電抗器相關(guān)，所述方法包括下列步驟
監(jiān)測(cè)至少第二爐子的工作特性；
確定所述工作特性偏離第二爐子的第一設(shè)定點(diǎn)一超過閾值量的量；以及
控制與第一爐子相關(guān)的所述至少一個(gè)可變電抗器來調(diào)整第一爐子的第二設(shè)定點(diǎn)，以補(bǔ)償所述工作特性對(duì)第二爐子的第一設(shè)定點(diǎn)的偏離。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述控制步驟包括選擇第一爐子的越權(quán)設(shè)置，并將第一爐子的設(shè)定點(diǎn)調(diào)整到該越權(quán)設(shè)置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中選擇所述越權(quán)設(shè)置包括從存儲(chǔ)多個(gè)越權(quán)設(shè)置的查找表讀取所述越權(quán)設(shè)置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中存儲(chǔ)在所述查找表中的越權(quán)設(shè)置基于熱短期能力曲線。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述第一和第二設(shè)定點(diǎn)是功率設(shè)定點(diǎn)，并且其中所述工作特性包括功耗。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述確定步驟包括計(jì)算第二爐子的功率設(shè)定點(diǎn)和第二爐子的功耗之間的差，并且包括基于該差選擇越權(quán)設(shè)置。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述選擇越權(quán)設(shè)置的步驟包括在除第二爐子外的其它爐子之間分配所述差，并且其中所述控制步驟包括控制與其它爐子相關(guān)的可變電抗器來增加該其它爐子的功耗，以補(bǔ)償所分配的差。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述設(shè)定點(diǎn)選自由實(shí)功率消耗、無效功率消耗、視在功率消耗以及功率因子設(shè)定點(diǎn)組成的設(shè)定點(diǎn)。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述第一和第二設(shè)定點(diǎn)是電流設(shè)定點(diǎn)，并且其中所述工作特性包括電流消耗。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述設(shè)定點(diǎn)是負(fù)序電流設(shè)定點(diǎn)。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述控制步驟包括選擇表示補(bǔ)償時(shí)間的越權(quán)持續(xù)時(shí)間。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述至少兩個(gè)爐子是電弧爐。
32.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述確定步驟包括監(jiān)測(cè)所述偏離的程度，并且僅當(dāng)該偏離程度超過所述閾值量時(shí)執(zhí)行所述控制步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述確定步驟進(jìn)一步包括監(jiān)測(cè)所述偏離的持續(xù)時(shí)間，并且僅當(dāng)該持續(xù)時(shí)間等于或超過預(yù)定時(shí)間段并且所述偏離程度超過預(yù)定量時(shí)執(zhí)行所述控制步驟，所述預(yù)定量小于所述閾值量。
34.一種用于包括第一爐子和第二爐子的多個(gè)多相電爐的控制的控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括
可變電抗器，該可變電抗器電耦合到電源并與第一爐子的各個(gè)相相關(guān)，用于改變提供給每個(gè)相應(yīng)相的功率；
電抗器控制器，該電抗器控制器與第一爐子相關(guān)并電耦合到每個(gè)可變電抗器，用于根據(jù)功率設(shè)定點(diǎn)向所述可變電抗器提供各自的電抗器控制信號(hào)，以控制提供給每個(gè)相應(yīng)相的功率；以及
補(bǔ)償控制器，該補(bǔ)償控制器與包括第一爐子和第二爐子的電爐相關(guān)，并且電耦合到所述電抗器控制器，用于向所述電抗器控制器提供控制信號(hào)，以控制第一爐子的可變電抗器，所述補(bǔ)償控制器被配置，以監(jiān)測(cè)所述電爐的功耗，并且響應(yīng)于第二爐子的功耗偏離第二爐子的功率設(shè)定點(diǎn)一超過閾值量的量而產(chǎn)生功率控制信號(hào)。
35.一種用于包括第一爐子和第二爐子的至少兩個(gè)電爐的控制系統(tǒng)，每個(gè)爐子具有至少一個(gè)電極，并耦合到電源，所述控制系統(tǒng)包括
至少一個(gè)可變電抗器，該至少一個(gè)可變電抗器與至少第一爐子相關(guān)并耦合在每個(gè)至少一個(gè)電極和電源之間；
補(bǔ)償控制器，該補(bǔ)償控制器與所述至少一個(gè)可變電抗器相關(guān)，用于調(diào)整每個(gè)至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置，該補(bǔ)償控制器包括監(jiān)測(cè)裝置和控制裝置，該監(jiān)測(cè)裝置用于監(jiān)測(cè)所述至少兩個(gè)爐子各自的工作特性和每個(gè)可變電抗器的設(shè)置以及確定第二爐子的工作特性是否偏離設(shè)定點(diǎn)一超過閾值量的量，該控制裝置響應(yīng)于所述監(jiān)測(cè)裝置，用于當(dāng)所述工作特性偏離所述設(shè)定點(diǎn)一超過所述閾值量的量時(shí)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，其中，響應(yīng)于從所述補(bǔ)償控制器接收到一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，調(diào)整與第一爐子相關(guān)的至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置，以補(bǔ)償?shù)诙t子的工作特性對(duì)所述設(shè)定點(diǎn)的偏離。
36.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)每個(gè)可變電抗器的設(shè)置，并響應(yīng)于所述偏離超過所述閾值并且所述至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置達(dá)到極限而產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)。
37.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述監(jiān)測(cè)步驟包括監(jiān)測(cè)每個(gè)可變電抗器的設(shè)置，并且響應(yīng)于所述偏離超過所述閾值并且所述至少一個(gè)可變電抗器的設(shè)置達(dá)到極限而執(zhí)行所述控制步驟。
全文摘要
一種用于穩(wěn)定多個(gè)負(fù)載或單個(gè)多相負(fù)載中的能量消耗的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)還補(bǔ)償多相負(fù)載中的不平衡。中央控制器監(jiān)測(cè)負(fù)載中的可變電抗，并確定功率和/或電流波動(dòng)和/或不平衡的情況。中央控制器確定其它負(fù)載/相進(jìn)行的適當(dāng)?shù)男Ｕ齽?dòng)作，以補(bǔ)償由于有問題的負(fù)載而引起的功率和/或電流變化或不平衡，并且發(fā)送控制信號(hào)，指示與該其它負(fù)載相關(guān)的可變電抗器控制器相應(yīng)地做出調(diào)整。該方法和系統(tǒng)可以用于電弧爐裝置。在本文中，該方法和系統(tǒng)提供了連接到進(jìn)料速率控制器的電極位置控制器，以便預(yù)先預(yù)測(cè)新原材料的輸入并降低電極，以便防止電弧熄滅，同時(shí)可變電抗器維持預(yù)定的功率設(shè)定點(diǎn)。該電極位置控制器可以用于取代可變電抗控制系統(tǒng)，采取校正動(dòng)作來解決功率和/或電流變化或不平衡?？梢圆捎迷撓到y(tǒng)和方法維持系統(tǒng)中的預(yù)定水平的不平衡。
文檔編號(hào)G05F1/66GK101167032SQ200580037885
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月1日
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