Elektrodenregelung

Elektrodenregler werden unter anderem im Lichtbogenofen (Elektrolichtbogenofen, EAF) zum Einschmelzen von Stahl oder im Pfannenofen (LF) zur metallurgischen Behandlung sowie zum Aufwärmen und Warmhalten von Flüssigstahl eingesetzt. Der Regler dient hierbei zur Einhaltung der Lichtbogenlänge, wobei der Lichtbogen zwischen der Elektrodenspitze und dem Einsatzgut (Schrott, metallische Zusätze und/oder Flüssigstahl) brennt. Die Lichtbogenlänge wird dabei durch Auf- und Abbewegung der Graphitelektrode bei auftretenden Regelabweichungen konstant gehalten. Bei Gleichstromlichtbogenöfen ist dies in der Regel eine Elektrode, bei Drehstromlichtbogenöfen sind es in der Regel drei unabhängig voneinander regelbare Elektroden.

Da die Lichtbogenlänge nicht oder nur mit viel Aufwand direkt zu bestimmen ist, werden als Istwerte für den Regler die elektrischen Spannungen und Ströme der Elektroden herangezogen und mit den Sollwerten verglichen. Meist wird der Strom oder die Impedanz (Verhältnis von Spannung zu Strom) des Elektrodenstrangs als Regelgröße verwendet. Diese Größen können dann in eine entsprechende Lichtbogenlänge umgerechnet werden. Bei einem Drehstromofen wird die Regelung durch die elektrische Kopplung der drei Phasen erschwert. Ändert sich in einer Phase die Lichtbogenlänge, so werden auch die elektrischen Parameter in den anderen beiden Phasen beeinflusst. Der Regler muss somit alle drei Phasen ausregeln. Die Stärke der Kopplung ist abhängig vom verwendeten Regelmodus. Wird die Impedanz als Regelgröße verwendet, wird eine Abschwächung der Phasenkopplung erreicht.

Aufgrund der vorherrschenden Regelabweichung (Differenz zwischen Istwert und Sollwert) berechnet der Regler je nach Ausführung (meist P- oder PI-Regler) eine entsprechende Stellgröße, die dem Stellglied zugeführt wird. Da in den meisten Fällen keine Rückgabe der Elektrodenposition an den Regler erfolgt, wandelt das Stellglied die Stellgröße in eine Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung der Elektrode um. Dadurch erhält die Regelstrecke einen integrierenden Charakter. In der Praxis haben sich elektrohydraulische Regelsysteme bewährt, bei denen die Elektroden über Hubzylinder mittels Pumpen und Proportionalventilen mit relativ kurzen Ansprechzeiten bewegt werden können.

Steuerungshardware

Während ursprünglich Analogregler eingesetzt wurden, wird die Regelaufgabe derzeit von Industriecomputern oder speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) übernommen. Moderne leistungsfähige Regler gehen über ihre eigentliche Regelaufgabe zur Einhaltung der Lichtbogenlänge hinaus und unterstützen den Bediener bei der Prozessführung. Insbesondere bei Lichtbogenschmelzöfen werden zunehmend intelligente Regler auf der Basis neuronaler Netze eingesetzt, die in der Lage sind, den Einschmelzprozess selbständig zu optimieren.

Ziele

Ziele der Optimierung sind, die Produktionskosten zu senken und die Effektivität zu steigern. Das wird durch verschiedene Ansätze erreicht, zum Beispiel durch dynamisches Anpassen

• des Sollwertes
• der Regelparameter
• der Lichtbogenspannung

an den Schmelzfortschritt. Sinnvoll ist es auch, dass der Regler auf kostenintensive Ereignisse oder Auflagen des Energieversorgers reagieren kann (etwa durch temporäre Leistungsbegrenzung oder Flickerreduzierung bei schwachen Versorgungsnetzen).