노 내의 다수의 전극들에 걸쳐 전력을 제어하는 시스템 및방법 document_id A220623037785

변동하는 전력 또는 전류 수요 및 불평형으로 발생할 수 있는 비효율성 및 잠재적 손상을 완화시키기 위해 전력 또는 전류 제어 및 전류 불평형 보상이 바람직한 몇몇 상황이 있다. 예를 들어, 교류(AC) 전기 아크로(Electric Arc Furnace, EAF) 부하의 경우에, 금속, 광석 또는 다른 물질을 가열, 용융 또는 제련하기 위해, 다수의 전극들과 이 아크로 내의 물질 간에 전기 아크가 생성된다. 이들 아크는 시변적이고 대체로 저항성인 임피던스로서 거동한다. 아크 저항의 변동은 이 노에 의해 소모되는 전력 및 전류에서의 관련 변동을 야기한다. 아크 저항, 전력 및 전류 간의 관계는 도 1a에 그래프로 나타내어져 있다. 도 1a에서, 곡선 A는 낮은 값(단락 회로)에서 높은 값(아크의 소멸)까지의 아크 저항의 변동을 나타낸 것이다. 예시적인 동작 저항 및 전류점이 곡선 A 상의 점으로 표시되어 있다. 도 1a의 곡선 B는, 대응하는 아크 저항 변동에 대한, 아크가 소모하는 전력 대 아크 전류를 나타낸 것이다. 예시적인 전력 및 전류 동작점도 또한 곡선 B 상에 점으로 표시되어 있다. 아크 저항 변동으로 발생하는 전력 또는 전류 변동은 전원 공급 시스템에 영향을 주어 주파수 및 전압 교란(disturbance)을 야기하며, 이는 전원 공급 장치 및 동일한 전원 공급 장치에 연결된 다른 아크로 부하들의 동작에 부정적 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 아크로에서의 갑작스런 큰 전력 상승은 부하 차단 계전기(load shedding relay) 또는 발전기 저주파 계전기(generator under-frequency relay)를 트리거하여 트립하게 할 수 있으며, 그 결과 아크로에 대한 전력의 전체 손실이 있게 되고 생산성 손실로 인해 잠재적으로 상당한 경제적 손실을 가져올 수 있다. 게다가, 어떤 주파수에서의 전압 변동이 전등 깜박거림을 야기할 수 있다. AC EAF가 3상 전원 공급 장치에 3상 부하로서 연결되어 있을 때 다른 문제도 일어난다. 아크로에서의 아크 저항이 3상 간에 항상 똑같을 수가 없기 때문에, 위상들 간에 전류가 불평형될 수 있다. 불평형된 전류는 차례로 전압 불평형을 야기할 수 있고, 이는 동일한 전원 공급 장치에 연결된, 예를 들어, 전기 모터 등의 다른 부하들의 동작에 영향을 줄 수 있다. 전류 불평형이 전원 공급 시스템 발전기의 불평형 전류 한계를 초과하는 경우, 이 불평형은 전원 시스템 내의 계전기가 트립(trip)하게 할 수 있으며, 그 결과 아크로에의 전력 손실이 일어난다. 전통적으로, EAF 동작은 원하는 전력, 전류 또는 임피던스 설정점에서 동작하도록 전극 위치 결정 시스템에 의해 제어되어 왔다. 이 전극 위치 결정 시스템은 일반적으로 움직이는 기계적 부품에 의존하며 일반적으로 빠른 저항 변화에 적절히 반응하기 위해 속도 및 유연성이 부족하다. 저항 변동량을 감소시키기 위해, 하나 이상의 직렬 리액터가 아크로 전원 공급 장치에 추가될 수 있다. 이 직렬 리액터는 EAF로 하여금 강제적으로 더 낮은 역률로 동작하게 하며, 따라서 보다 안정된 아크 발생(arcing)을 가능하게 해준다. 그렇지만, 리액터만으로는 원하는 수준의 전원 안정성을 달성하는 데 부적당할 수 있다. 게다가, 리액터만으로는 전류 불평형 감소의 효과적인 수단이 되지 않는다. 이러한 이유는 그의 리액턴스 값이 아크 저항이 변하는 속도만큼 빠르게 변할 수 없기 때문이다. 전기 아크로 설비에서 전력 변동의 효과를 완화시키기 위해 어떤 시도들이 행해져왔다. 예를 들어, Ma 등의 미국 특허 제6,603,795호(여기에 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함됨)는 유효 전력 변동(active power fluctuation)을 감소시키기 위해 가변 리액터 제어 및 전극 높이 조절을 사용함으로써 전기 아크로에서 전력 소모를 안정시키는 시스템을 기술하고 있다. 이 시스템은 전극 임피던스 등의 아크로의 동작 특성을 모니터링하고, 가변 리액턴스에 대한 대응하는 조정을 행한다. 회로에서의 리액턴스는 리액터를 회로에 연결시키는 일련의 사이리스터(thyristor)의 점화각(firing angle)을 조정함으로써 제어될 수 있다. 도 2는 Ma 등의 특허에 따른 전기 아크로의 간략화된 회로(10)를 나타낸 도면이다. 회로(10)는 선전압(12), 아크 임피던스(14), 고정된 회로 리액턴스(16), 및 가변 리액턴스(18)를 나타내고 있다. 아크 임피던스(14)는 아크 리액턴스 Xarc 및 아크 저항 Rarc를 포함한다. 고정된 회로 리액턴스(16)는 아크로 변압기, 및 전원 공급 시스템과 전극 간의 임의의 전력 케이블, 도체 및 버스 워크(bus work)의 리액턴스를 포함할 수 있으며, 여기서 리액턴스는 아크 임피던스(14)와 비교하여 일정한 것으로 간주될 수 있다. Ma 등의 특허에 기술된 전력 제어 시스템은, 아크로의 측정된 특성에 응답하여, 전기 아크로 및 전원 공급선의 전극의 무효 임피던스(reactive impedance)를 변경시킨다. 이 시스템은 전극 아크로 내의 전극이 끌어쓰는 전압 및 전류를 모니터링하고, 전극 임피던스를 결정한다. 이 전극 임피던스에 기초하여, 전력 제어 시스템은, 전원 공급 장치가 보게 되는, 아크로의 전력 소모 변동을 최소화하기 위해 무효 임피던스를 조정한다. 이 시스템은 가변 리액턴스를 조정함으로써 이것을 행한다. 이 제어 시스템과 연관된 응답 시간은 대략 하나의 전기 사이클 정도이며, 비교적 빠른 응답을 제공한다. Ma 등의 특허는 또한 전극의 측정된 특성에 기초하여 전극 높이를 조정하는 전극 위치 결정 시스템을 제어하는 전극 위치 제어기에 대해서도 기술하고 있다. 예를 들어, 전극 위치 제어기는 아크로에 대한 전압 및 전류 특성을 모니터링함으로써 전극 임피던스를 모니터링할 수 있고 또 전극 임피던스의 변화로 인한 전력 변동을 최소화하기 위해 전극 높이를 조절할 수 있다. 이 제어 시스템의 응답 시간은 비교적 느리며, 몇 초 정도이다. Ma 등의 미국 특허 제6,603,795호에 기술된 시스템은 일반적으로 전력 스윙(power swing)을 최소화하고 또 단일의 아크로에 대한 원하는 설정점을 유지할 수 있다. 그렇지만, 이 시스템은 보다 큰 위상 또는 전극 전력 강하(power dip)를 특정의 임계값 아래로 최소화하기에는 제한된 용량을 갖는다. 게다가, 이 시스템은 3개의 전기 위상 간의 부하 불평형을 최소화하도록 설계되어 있지 않다. 도 1b는 보다 큰 위상 또는 전극 전력 강하를 특정의 임계값 아래로 최소화하는 데 있어서 Ma 등의 미국 특허 제6,603,795호에 기술된 시스템의 제한에 대해 기술한다. 도 1b에서의 곡선 C는 특정의 전력 설정점을 만족시키는 데 있어서의 부하 저항의 변동을 보상하기 위해 요구되는 가변 리액턴스를 나타낸다. 곡선 D는, 가변 리액터의 실제 크기 제한을 고려하여, 달성되는 가변 저항의 양을 나타낸다. 원하는 동작점에서의 요구되는 리액턴스 및 전류도 역시 표시되어 있다. 곡선 E는, 곡선 C의 가변 리액턴스가 회로에 삽입될 때, 아크로에 의해 소모되는 전력 대 대응하는 아크 저항 변동에 대해 소모되는 전류를 나타낸 것이다. 그 결과 얻어지는 동작점 전력 및 전류도 역시 표시되어 있다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, 전극 전류 I가 임계값 Icritical 미만으로 떨어지면(예를 들어, 한 전극 아래에서 아크가 소멸될 때), 회로(10)는 고정될 레벨에 전력을 유지할 수 없으며, 전력이 전력 설정점 아래로 떨어진다. 임계값 Icritical은 가변 리액턴스(18)가 그의 최소값으로 감소되는 것과 동시에 일어난다. 또한, 전류가 최대 전류값 Imax를 넘어 상승하는 경우 전력을 설정점으로 유지하기 위해 회로(10)의 능력을 제한하는 최대 가변 리액턴스 설정이 있을 수 있다. 3-전극 노가 3-상 전원 공급 장치에 연결되어 있는 경우 다른 어려움이 일어난다. 이러한 구성에서, 전극 전류의 순간값의 합은 임의의 주어진 시간에서 0으로 되어야만 한다. 따라서, 한 위상에서의 아크 임피던스 또는 가변 리액턴스의 변화는, 임피던스 변화를 겪는 위상에서 뿐만 아니라 모든 나머지 위상에서도, 전류의 변화를 야기한다. 어떤 경우에, 노 형상(furnace geometry) 및 피드 물질 분포는 그다지 대칭적이 아니다. 따라서, 안정된 노 전력에서도, 노에서의 열 분포가 불균일할 수 있다. 그 결과, 노 내부에서 또는 노 측벽 주변에서의 온도 프로파일이 비대칭적으로 될 수 있으며, 바람직하지 않은 상대적으로 뜨겁거나 차가운 영역이 생기게 된다. 전기로에서의 전력 및/또는 전류를 제어하는 이전의 제어 시스템 및 방법과 연관된 단점 또는 결점 중 하나 이상을 해소 또는 개선하는 것 또는 적어도 그에 대한 유용한 대안을 제공하는 것이 요망된다.