СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА ТРЕХФАЗНОЙ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ И УСТАНОВКА ТРЕХФАЗНОЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ ПРЯМОГО НАГРЕВА Российский патент 1997 года по МПК H05B7/148 G05F1/02 F27D19/00 

Изобретение относится к установке трехфазной дуговой электропечи прямого нагрева, питаемой регулируемым током, а также к способу регулирования тока трехфазной дуговой электропечи прямого нагрева.

Изобретение применяется к трехфазным дуговым электропечам прямого нагрева для плавки металлов и в частности железа и его сплавов.

Дуговые электропечи прямого нагрева в настоящее время применяются, главным образом, для плавления и переплавки стали и почти все являются трехфазными печами.

Известны устройства для питания дуговой трехфазной электропечи, содержащее трансформатор и для каждой фазы индуктор, устройство для измерения тока дуги и механизм перемещения электрода, в котором параллельно с частью индуктора, подключен управляемый вентиль, соединенный с блоком управления [1, 2]
Известно также использование реактора насыщения, соединенного с блоком управления для регулирования тока дуги [3]
Однако в известных дуговых печах эффективное регулирование тока нагрузки осуществляется варьированием ответвлений обмотки печного трансформатора или же варьированием расположения электродов, что усложняет и значительно повышает стоимость систем из-за значительных колебаний силы тока.

В последние двадцать лет мощность печей значительно увеличилась, от мощности установок от 16 МВт и 20 МВА до мощностей, превышающих 85 МВт и 120 МВА.

Такая высокая мощность влечет за собой возникновение больших проблем для сети питания в виде нарушений в напряжении (колебания), а также значительных фазовых сдвигов из-за индуктивных нагрузок.

Для коррекции разности фаз из-за этих индуктивных нагрузок и уменьшения колебаний напряжения в современной компенсирующей технике применяются переменные компенсаторы реактивной мощности, которые работают с регулируемыми диодами.

Известный принцип регулировки показан на фиг. 1 и заключается в следующем.

Три индуктора размещены при параллельном соединении с трехфазной линией среднего напряжения, которая является точкой питания нагрузок сильной индуктивности печи; эти индукторы образованы тиристорами T, угол возбуждения которых регулируется на основании тока, обнаруживаемого устройством S 1. (Устройство для измерения тока дуги).

Эта система регулировки удерживает постоянной сбалансированной на нуле общую реактивную мощность в печи, индукторах L1 и L2 и группах конденсаторов CR коррекцию коэффициента мощности, которые все соединяются с питающей линией среднего напряжения.

Группы конденсаторов CR коррекции коэффициента мощности с добавлением подходящих индукторов предназначена также для осуществления функции фильтрации гармоник, образованных печью и системой компенсации.

Вместо этого активная мощность дуг печи регулируется посредством изменения высоты электродов с помощью подходящих гидравлических узлов G1, при этом стараются удерживать сопротивления дуг постоянными.

Для преодоления трудностей и некоторых из недостатков, присущих этому непрямому типу регулировки поглощенного тока, были созданы печи постоянного тока; в таком типе печи используется один единственный электрод, и осуществляется возврат тока к кожуху печи.

Ток питания дуги обеспечивается блоком выпрямления, выполненным из регулируемых диодов или тиристоров. Эта система имеет два существенных недостатка. С одной стороны, существует сложность получения пути возврата тока, а с другой стороны, наблюдается сильное образование нечетных гармоник системой выпрямления.

В соответствии с настоящим изобретением механизм управления действует непосредственно на ток дуги печи таким образом, чтобы определить рабочую точку и уменьшить колебания. Это отличается от известных решений, в которых ток может испускаться в печь свободно и регулироваться только гидравлической системой, регулирующей длину дуги, в то время как система регулировки, действие которой направлено против колебаний, после этого регуляризирует положение в направлении стороны питания от сети.

В то время как данные трехфазные дуговые печи обычно соединяются с системой компенсации, которая действует независимо и при параллельном соединении с печью, три дуги печи в соответствии с настоящим изобретением питаются посредством передачи каждой дуге первого основного тока, ограниченного первым индуктором L1 в соответствии с одной идеей решения.

Второй ток накладывается на этот первый ток вторым индуктором L2; второй ток управляется и регулируется с помощью тиристора T функцией переноса, в которой учитывается рабочее состояние дуги с помощью анализа значения и/или исходного градиента этого первого основного тока.

В соответствии с вариантом, помимо анализа этого значения и/или начального градиента, также анализируется состояние соответствующих электрических величин в различных точках установки и, в частности, положение переключателя обмоток трансформатора под нагрузкой.

В соответствии с вариантом идеи решения реактор насыщения RS можно успешно применять вместо индукторов L1 и L2 и тиристора T.

В соответствии с настоящим изобретением конденсаторы коррекции коэффициента мощности, которые также действуют как фильтры для поглощения гармоник, образуемых печью в отношении питающей сети, размещаются при параллельном соединении на шине среднего напряжения точно таким же образом, который применяется в известном уровне техники, однако они имеют намного меньше значения емкости.

Задачей настоящего изобретения является повышение стабильности тока и его однородности в трех фазах, что приводит к значительному уменьшению износа электродов и огнеупорной футеровки и к уменьшению электродинамических напряжений, в случае короткого замыкания, задача настоящего изобретения достигается способом регулирования тока трехфазной дуговой электропечи прямого нагрева для плавления металлов и преимущественно, но не главным образом, сплавов на основе железа, при котором измеряют ток дуги и в зависимости от него изменяют положение электродов в ванне печи по высоте и изменяют значение реактивности реактора, расположенного в каждой фазе на участке, соединяющем линию среднего напряжения с питающим трансформатором, при этом в качестве реактора используют реактор насыщения, а его реактивность изменяют, воздействуя на непрерывный поляризационный ток и установкой трехфазной электродуговой печи прямого нагрева, питаемой контролируемым током и предназначенной преимущественно, но не главным образом, для сплавов на основе железа, содержащей средство для регулировки длины дуги с помощью воздействия на высоту электродов, устройство питания печи, включающее в себя по крайней мере одну линию среднего напряжения и трансформатор, снабженный переключателем обмоток под нагрузкой, устройство для регулировки тока дуги, расположенное в каждой фазе на участке, соединяющем линию среднего напряжения и трансформатор, и включающее первый индуктор и устройство для измерения тока дуги, при этом устройство для регулировки тока дуги содержит, по крайней мере, один реактор насыщения.

На фиг. 1 показана установка трехфазной электродуговой печи прямого нагрева, отражающая известный уровень техники; на фиг. 2 показана установка трехфазной электродуговой печи прямого нагрева в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 3 и 4 варианты воплощения технического решения.

Ниже следует подробное рассмотрение известного уровня техники и содержания настоящего изобретения.

Изобретение отличается от известного уровня техники в зоне между линией среднего напряжения и трансформатором печи.

На фиг. 1 индуктор L1 предназначен для оптимизации и для обеспечения большей гибкости в результате точного выбора его значения, рабочей точки печи в отношении полезной передаваемой мощности, длины дуги, силы тока и коэффициента отражения.

Определение значения индуктора L1 осуществляется путем определения рабочей точки, которая уравновешивает контранстирующие требования, заключающиеся в обеспечении надлежащего переноса энергии и тока дуги, достаточно высокого, чтобы удовлетворить технологическим требованиям процесса плавления и, в то же время, ограничении пиковых значений тока в случае короткого замыкания электродов.

Выбор индуктора L1 оказывает косвенное влияние на отражение тепла дуги, которое должно изменяться от минимального значения, что обусловлено соображениями эффективности производства, до максимального значения, которое обусловлено ограничениями износа огнеупорной футеровки и соблюдением относительных пределов безопасности.

Затем важно компенсировать реактивную мощность индуктивного типа, поглощаемую печью.

Необходимую реактивную мощность с компенсацией емкости обеспечивают путем параллельного соединения с линией среднего напряжения фиксированной группы конденсаторов CR, корректирующих коэффициент мощности (обычно соединенных звездой с нейтральным или заземленным), а переменная индукция достигается фиксированным индуктором L2 и тиристорным вентилем T (индуктор, регулируемый тиристорами). Соединением для индукторов L2 соединение треугольником.

Имеются также индукторы LF, которые предназначены для того, чтобы действовать в качестве фильтра. Они располагаются последовательно к тиристорам T и конденсатором CR.

Измерение реактивных токов, поглощаемых каждой фазой питания печи, осуществляют для каждой фазы устройством для измерения тока дуги S1, которое образует сигнал обратной подачи системы управления о токе дуги.

В любое время емкостный ток поглощенный группами конденсаторов CR, должен быть сбалансирован индуктивными токами, поглощенными печью и индуктором L2, регулируемым тиристором T.

Второе средство регулировки, обозначенное G1 относится к геометрии электрической цепи, которая регулирует сопротивление дуги.

Известные приемлемые сервомеханизмы G1 гидравлического типа, например, предназначены для вертикального перемещения электродов с целью удержания полного сопротивления печи постоянным.

Механическая регулировка, очевидно, имеет временные постоянные, которые значительно медленнее, чем при регулировании электрического типа, описанного ранее, и, следовательно, менее эффективна в отношении воздействия на электрические колебания.

Если теперь обратиться к изобретению, показанному в общем виде на схеме фиг. 2, то видно, что индуктор L₁ осуществляет такую же функцию, что и аналогичный компонент, включенный в известное решение, показанное на фиг. 1.

Переменный индуктор образуется фиксированным индуктором L2 и вентилем T с тиристорным управлением и размещается параллельно с индуктором L1, образуя, таким образом, регулируемую индукцию, размещенную последовательно с питанием от сети.

Устройство S1 измеряет силу тока, поглощенного дугой и посылает сигнал, который приводит в действие систему управления тиристоров T.

Таким образом, можно удержать ток, поглощенный печью, постоянным в широких пределах и, следовательно, обеспечивать питание регулируемым током.

Изменения в импедансе дуги компенсируются противоположными изменениями импеданса эквивалентного индуктора, размещенного последовательно и состоящего из параллели между L1 и L2.

Если, например, дуга начинает исчезать, индуктивность уменьшается для увеличения потока тока.

Если вместо этого электроды накоротко замыкаются расплавляемым скрапом, индуктивность индуктора доводится до максимального значения так, чтобы ограничить образующееся падение напряжения в сети питания, т.е. существует тенденция в корректировке причины нарушений в питающей сети, а не к корректировке их последствий статическим переменным компенсатором, как это происходит в известных решениях.

Поэтому автоматическое управление эквивалентной последовательной индуктивностью, в зависимости от тока дуги, образует рационализаторскую особенность показанного размещения.

Описанное управление можно также совмещать с гидравлической регулировкой G1 длины дуги.

Хотя два типа управления имеют своей целью поддержание постоянного импеданса на стороне печи, они имеют некоторые различия. Геометрическая регулировка G1, которая оказывает влияние на положение электродов, может изменять, воздействуя на длину дуги, только имеющую сопротивление часть импеданса, в то время как электрическая регулировка эквивалентной последовательной индуктивности (параллельно между L1 и L2) изменяет непосредственное реактивную часть и, воздействуя на ток дуги, также воздействует на эквивалентное сопротивление.

Кроме того, постоянные времени очень отличаются, так как в одном случае применяются действия механического типа, а в другом случае чисто электрические действия.

Регулировка эквивалентной последовательной реактивности, осуществляемая фаза за фазой, также позволяет корректировать отсутствие равновесия импеданса в геометрии вторичной цепи печи (от выходов трансформатора печи к дугам), и поддерживать токи в трех фазах постоянными, в результате чего преодолевается проблема так называемой "холодной фазы" и "дикой фазы".

Индукторы, регулируемые с помощью тиристоров T, в состоянии техники и в предложенном здесь решении, приводятся в действие в соответствии с сигналом, идущим из монитора S1, причем эти сигналы обрабатываются устройством для регулировки тока дуги GC.

Устройство GC может также получать сигналы, которые отражают изменения других электрических величин в различных частях цепи. Следовательно, он может получать сигналы изменения, например, с помощью трансформатора TV, от линии среднего напряжения; он может, например, получать сигналы состояния электродов через орган управления GC; он также может получать сигналы из других источников, например, сигналы состояния коммутатора под нагрузкой трансформатора, а также другие установочные сигналы.

Кроме того, устройство GC предотвращает насыщение индукторов посредством устранения непрерывного компонента токов, проходящих через них.

Конденсаторы CR коррекции коэффициента мощности соединяются с линией среднего напряжения и имеют назначение, которое заключается в корректировании коэффициента реактивного компонента энергии, поглощенной печью, в пределах, установленных инстанцией, которая поставляет электрическую энергию.

Как видно на фиг. 1 и 2 конфигурация в соответствии с настоящим изобретением имеет также же компоненты, как те, которые уже включены в обычную конфигурацию, однако эти компоненты используются функционально другим образом.

Различное использование компонентов при полученных величинах ведет к некоторой значительной конструкционной экономии.

Сравнение двух решений можно осуществить с одинаковой активной мощностью, подаваемой в печь, и с равными нарушениями типа колебаний, образованными в питающей сети.

Индуктор L1, хотя и обладает большей реактивностью, обычно нагружается в настоящем изобретении только частью рабочего тока печи. Его величина, касающаяся мощности, а следовательно и затрат, составляет приблизительно от 30 до 40% величины, требуемой в конфигурации на фиг. 1, когда учитывается коэффициент безопасности из-за перегрузок от короткого замыкания.

В конденсаторах CR коррекции коэффициента энергию также наблюдается значительное уменьшение. Фактически, в случае показанном на фиг. 1, реактивная емкостная мощность устанавливается, как было уже отмечено, на большую величину, чем мощность короткого замыкания на электродах. В случае, показанном на фиг. 2, необходимо только корректировать коэффициент мощности части реактивной мощности, поглощенной печью в рабочей точке. Результативное уменьшение составляет приблизительно от 70 до 80%
Значение индуктора L2, регулируемое вентилем, управляемым тиристорами T, можно взять равным нулю на теоретическом уровне таким образом, чтобы можно было осуществлять регулировку последовательной реактивности печи в максимальном диапазоне.

Технологические соображения, связанные с процессом плавления и применением вентиля T, влекут за собой, в случае применения коэффициента безопасности, сокращение, равное приблизительно от 80 до 90% по сравнению с примером осуществления, показанным на фиг. 1.

Сам по себе вентиль T, величина которого устанавливается в соответствии с настоящим изобретением на более низкие напряжения и менее высокий ток, показывает уменьшение в величине приблизительно на 40-50% Это значение получают путем подсчета результата умножения максимального напряжения, применяемого к вентилю T, на максимальный ток, который проходит через него.

Помимо конструкторской экономии, достигнутой на компонентах, необходимо учитывать уменьшение рабочих затрат, которое объясняется, главным образом, уменьшением электрической изменчивости дуги.

Фактически, увеличение стабильности тока и его однородности в трех фазах позволяет увеличить эффективность процесса изготовления, уменьшить износ электродов и огнеупорной футеровки и уменьшить электродинамические напряжения в случае короткого замыкания.

Поскольку идеей, лежащей в основе изобретения, является автоматическое управление реактивностью, последовательной к цепи стороны печи, можно найти несколько вариантов, в которых такой контроль осуществляется по-разному.

В первом варианте, показанном на фиг. 3, а, предусмотрено неиспользование индуктора L2, но сохранение вентиля, управляемого тиристорами T; как было показано раньше, применение индуктора L2 не является существенным и, фактически, объясняется технологическими соображениями.

На фиг. 3b показан другой вариант, который предусматривает регулировку ступенчатого, а не непрерывного типа. От индуктора L1 отходят несколько промежуточных ответвлений, возбуждение которых возложено на переключатели, управляемые тиристорами. Этот вариант дает возможность более простого управления, однако не позволяет осуществлять точную регулировку импеданса стороны печи и, следовательно, фазного тока.

На фиг. 4 показан вариант, в котором предусматривается применение реакторов насыщения RS вместо L1, L2 и T.

Реактор насыщения, возбуждаемый подходящим постоянным током, подаваемым устройством для регулировки тока дуги GC, имеет особенность, которая заключается в создании низкого значения реактивности для малых значений тока, меньше, чем номинальный ток 1N печи, и высокого значения реактивности при высоких величинах тока.

Таким образом достигается значительное ограничение степени сверхтоков и, следовательно, колебания напряжения.

Это решение имеет преимущество, заключающееся в том, что оно не требует применения сложной системы устройства GC; фактически, когда постоянный ток, соответствующий 1_N рабочей точки печи был задан, реактор насыщения автоматически ограничивает сверхтоки.

Устройство для регулировки тока дуги GC фиксирует ток возбуждения реактора насыщения в соответствии с рабочей точкой печи.

Для осуществления этой функции устройство для регулировки GC контактирует со средством регулировки высоты электродов G1 и с переключателем выходных обмоток под нагрузкой трансформатора печи.

В соответствии с вариантом устройства GC не только отмечает сигналы, идущие от средства регулировки G1, но также анализирует состояние электрических величин в различных точках установки.

Способ регулирования тока трехфазной дуговой электропечи прямого нагрева для плавления металлов и преимущественно сплавов на основе железа, в котором измеряют ток дуги, изменяют положение электродов в ванне печи по высоте (в зависимости от тока), изменяют значение реактивности реактора, при этом в качестве реактора используют реактор насыщения, а его реактивность меняют, воздействуя на непрерывный поляризационный ток. Установка трехфазной электродуговой печи прямого нагрева содержит средство для регулировки длины дуги, устройство питания печи, трансформатор, устройство для регулировки тока дуги, содержащее по крайней мере один реактор насыщения. 2 с и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ регулирования тока трехфазной дуговой электропечи прямого нагрева для плавления металлов и преимущественно, но не главным образом, сплавов на основе железа, в котором измеряют ток дуги и в зависимости от него изменяют положение электродов в ванне печи по высоте и изменяют значение реактивности реактора, расположенного в каждой фазе на участке, соединяющем линию среднего напряжения с питающим трансформатором, отличающийся тем, что в качестве реактора используют реактор насыщения, а его реактивность изменяют, воздействуя на непрерывный поляризационный ток. 2. Установка трехфазной электродуговой печи прямого нагрева, питаемая контролируемым током и предназначенная преимущественно, но не главным образом, для сплавов на основе железа, содержащая средство для регулировки длины дуги с помощью воздействия на высоту электродов, устройство питания печи, включающее в себя по крайней мере одну линию среднего напряжения и трансформатор, снабженный переключателем обмоток под нагрузкой, устройство для регулировки тока дуги, расположенное в каждой фазе на участке, соединяющем линию среднего напряжения и трансформатор, и включающее первый индуктор и устройство для измерения тока дуги, отличающаяся тем, что устройство для регулировки тока дуги содержит по крайней мере один реактор насыщения. 3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что реактор насыщения соединен с блоком управления. 4. Установка по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что блок управления соединен с переключателем обмоток трансформатора.