Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение
Изобретение относится к установке для плавления и/или нагрева металлического материала, содержащей электрическую печь и устройство электропитания, пригодное для питания мощных резистивно-индуктивных нагрузок порядка 100 МВт и выше.
Описываемые здесь варианты осуществления изобретения относятся также к способу электропитания установки для плавления и/или нагрева металлического материала .
Изобретение может быть применено в сталелитейной промышленности и в производстве стали, а также других металлов или стекла, когда для плавления используют электрические печи, например электродуговые печи, печи-ковши, печи с погруженной дугой, плавильные или рафинировочные печи, индукционные плавильные печи или индукционные нагревательные печи.
Предпосылки создания предлагаемого изобретения
Известны установки для плавления и/или нагрева металлических материалов, снабженные электрическими печами, в которые вводят материал, подлежащий плавлению, и одно или более устройств электропитания, которые берут энергию из электросети и подают ее в электрическую печь.
Электрические печи рассматриваемого типа могут быть выбраны из следующей группы: электродуговые печи, печи с погруженной дугой, печи-ковши и вообще плавильные, рафинировочные, нагревательные или индукционные печи.
Эти электрические печи обычно ведут себя как неоднородная резистивно-индуктивная нагрузка, поскольку требуемая и потребляемая ею мощность может изменяться в зависимости от стадии процесса или типа используемого металлического материала.
Из патента ЕР-В-3124903 (далее ЕР'903) на имя заявителя известно устройство электропитания для электродуговой печи, оснащенное средством позиционирования электродов и блоком регулирования, содержащим преобразователи, которыми можно выборочно управлять для регулирования напряжения и тока питания электродов.
Устройство электропитания, описанное в ЕР'903 ведет себя как регулируемый генератор тока и способно генерировать электроэнергию для питания электродуговой печи в зависимости от стадии выполняемого процесса (перфорация, плавление , рафинирование). Это отличает решение EP'903 от традиционных решений, в которых в роли генератора напряжения выступает трансформатор, а ток не регулируется, а ограничивается только параметрами схемы замещения, изменяющимися в зависимости от стадии процесса.
Устройство электропитания, описанное в EP'903, позволяет также отдельно регулировать ток и напряжение дуги, чтобы значительно ограничить колебания тока на первой стадии процесса, то есть на стадии перфорации, и сделать его практически стабильным на последующих стадиях плавления и рафинирования.
И устройство электропитания, описанное в EP'903, и традиционные устройства электропитания обычно питаются трехфазным электрическим током, подаваемым из сети общего пользования.
В заявке на патент WO-A-2019/207609 описано плавильное устройство и способ плавления в электродуговой печи с использованием трехфазного электрического тока, подаваемого из обычной электросети. Устройство содержит трансформатор, выпрямители, соединенные с трансформатором, и преобразователи, соединенные с одной стороны с выпрямителями, а с другой стороны с электродами электродуговой печи.
Документ IT102009901751919 описывает устройство для электропитания бытового прибора путем соединения первого источника электропитания с одним или более вспомогательными источниками электропитания.
Документ US-A-20190018437 описывает систему электропитания, содержащую первичную и вторичную обмотки трансформатора, а также контроллер, выполненный с возможностью управлять генератором сигнала регулирования для подачи сигнала регулирования мощности на вторичную обмотку, при этом система электропитания содержит вспомогательный источник питания, подключенный к первичной обмотке трансформатора.
Известно, что установки для плавления и/или нагрева, используемые, например, для производства стали, требуют для печи высокой мощности, составляющей несколько десятков мегаватт (МВт), в частности от 30 МВт до 200 МВт в зависимости от размера установки и/или печи.
Поэтому для обеспечения достаточного электропитания необходимо постоянное подключение установок для плавления и/или нагрева к электросети.
Кроме того, потребление трехфазного переменного тока зависит от производства, поэтому чем больше отливок производит печь, тем большее количество электрической энергии необходимо приобретать.
Одним из недостатков традиционных решений является необходимость постоянного подключения к электросети.
Еще одним недостатком является то, что в определенных географических зонах потребление электроэнергии может обходиться дорого, или же оно может стать дорогим после значительных социально-экономических событий, и это значительно увеличивает предполагаемую стоимость электроснабжения.
Поэтому металлургические заводы вынуждены ограничивать производство ночным временем, когда электроэнергия, поставляемая из электросети, дешевле.
Кроме того, в случае возможных отключений электроэнергии необходимо останавливать завод и производство, что приведет к потере производительности и, следовательно, к задержке поставки партий продукции.
Следовательно, существует потребность в совершенствовании установки для плавления и/или нагрева металлических материалов, чтобы устранить по меньшей мере один из недостатков уровня техники.
Одной из целей изобретения является создание установки для плавления и/или нагрева металлических материалов, которая может функционировать, по меньшей мере частично, независимо от электросети, чтобы снизить затраты на энергоснабжение и, следовательно, общие производственные затраты.
Целью изобретения является также снижение риска остановки работающих установок из-за отключения электросети, которое в самых тяжелых случаях может длиться даже несколько дней.
Еще одна цель состоит в сокращении потребления энергии из общественной электросети путем сокращения потребления из этой сети.
Еще одной целью является усовершенствование способа электропитания установки для плавления и/или нагрева металлического материала, позволяющего ограничить потребление энергии из электросети.
Еще одной целью является обеспечение работы установки для плавления и/или нагрева металлического материала в течение всего периода времени днем и/или ночью.
Выгода и преимущество, обеспечиваемые изобретением, заключаются также в том, что оно позволяет уменьшить выбросы CO₂ или другие сопутствующие выбросы, если производство энергии в электросети не полностью производится за счет возобновляемых источников энергии.
Для преодоления недостатков уровня техники и достижения этих и других целей и преимуществ заявитель разработал, испытал и воплотил предлагаемое изобретение.
Краткое описание предлагаемого изобретения
Изобретение изложено и охарактеризовано в независимых пунктах формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения описывают другие признаки изобретения или варианты основной идеи изобретения.
В соответствии с вышеуказанными целями описываемые здесь варианты осуществления изобретения относятся к установке для плавления и/или нагрева металлического материала, содержащей печь, в которую вводят металлический материал, средство подачи электроэнергии и по меньшей мере одно устройство электропитания, включенное между средством подачи электроэнергии и печью и пригодное для питания печи желаемым напряжением и током.
В некоторых вариантах устройство электропитания содержит
- по меньшей мере один трансформатор, подключенный к электросети и выполненный с возможностью принимать первичное переменное напряжение и первичный переменный ток и преобразовывать их во вторичное переменное напряжение и вторичный переменный ток,
- выпрямители, соединенные с трансформатором и выполненные с возможностью преобразовывать вторичное переменное напряжение и вторичный переменный ток в промежуточное постоянное напряжение и промежуточный постоянный ток,
- преобразователи, подключенные с одной стороны к выпрямителям, а с другой стороны к нагрузке, то есть к печи, и выполненные с возможностью преобразовывать промежуточное постоянное напряжение и промежуточный постоянный ток в переменное напряжение питания и переменный ток питания, подаваемые на печь.
В некоторых вариантах устройство электропитания содержит также блок управления, выполненный с возможностью управлять работой преобразователей, а также регулировать во времени напряжение и ток питания нагрузки.
В некоторых вариантах установка для плавления и/или нагрева содержит по меньшей мере один альтернативный источник энергии, отличный и независимый от электросети, подключенный к устройству электропитания и выполненный с возможностью подавать энергию для питания нагрузки в дополнение к энергии электросети или в качестве альтернативы ей.
Благодаря альтернативному источнику энергии можно, хотя бы частично, питать установку для плавления и/или нагрева независимо от электросети и, возможно, хотя бы на время отключать установку для плавления и/или нагрева от электросети, или в любом случае уменьшать потребление энергии из электросети в дневной период, ограничивая ее потребление временем, когда она дешевле.
Кроме того, наличие альтернативного источника энергии позволяет использовать установку для плавления и/или нагрева даже в случае неполадок или отключений электросети.
В некоторых вариантах альтернативный источник энергии - это источник возобновляемой энергии, например, выбранной из следующей группы: солнечная энергия, энергия ветра, энергия воды.
Возможны варианты, когда альтернативный источник энергии - это невозобновляемый источник энергии, например, работающий за счет сжигания ископаемых, таких как нефть, уголь или газ.
В некоторых вариантах альтернативный источник энергии - это источник переменного тока, выполненный с возможностью подавать переменные напряжение и ток.
Возможны решения, когда источник переменного тока - это гидроэлектростанция или плотина, пригодная для преобразования энергии воды, или ветряная электростанция, содержащая по меньшей мере одну ветровую турбину, пригодную для преобразования энергии ветра. Плотина, гидроэлектростанция и ветряная электростанция могут быть снабжены соответствующими генераторами переменного тока, подходящими для преобразования соответствующей возобновляемой энергии в переменное напряжение и ток для подачи на устройство электропитания.
В некоторых вариантах альтернативный источник электроэнергии - это источник постоянного тока, выполненный с возможностью подавать постоянные напряжение и ток.
В некоторых вариантах источник постоянного тока - это, например, фотоэлектрическая установка, содержащая фотоэлектрические панели.
Конструкция устройства электропитания позволяет подключать к нему как источники переменного тока, так и источники постоянного тока, изменяя точку ввода альтернативного источника энергии без необходимости наличия специальных компонентов и систем.
В некоторых вариантах источники переменного тока подключены непосредственно к трансформатору устройства электропитания. При таком решении включенные за трансформатором выпрямители выпрямляют переменные напряжение и ток, обеспечивая постоянные напряжение и ток, которые можно подавать на преобразователи для получения напряжения и тока питания.
В некоторых вариантах источники постоянного тока подключены к промежуточной цепи постоянного тока, включенной после выпрямителей, так как нет необходимости в ступени выпрямления, и энергия может быть подведена непосредственно к преобразователям для преобразования ее в напряжение и ток питания.
В некоторых вариантах между источниками постоянной энергии и промежуточной цепью постоянного тока предусмотрены электрические компоненты, обеспечивающие однонаправленность производимого тока. Этим предотвращается повреждение компонентов устройства электропитания неправильной полярностью тока на входе.
В некоторых вариантах предусмотрено два или более однотипных или разнотипных альтернативных источников энергии.
Например, первый альтернативный источник энергии может быть источником переменного тока, подключенным к трансформатору устройства электропитания, а второй альтернативный источник энергии может быть источником постоянного тока, подключенным к промежуточной цепи.
В других вариантах устройство электропитания содержит по меньшей мере один интерфейс для соединения с электросетью и по меньшей мере один интерфейс для соединения с одним или более источниками переменного тока и/или с одним или более источниками постоянного тока.
В некоторых вариантах установка для плавления и/или нагрева содержит также блок управления, выполненный с возможностью определять состояние энергосистемы и альтернативных источников энергии и управлять этим состоянием, а также определять, следует ли использовать то или другое, или и то и другое для подачи энергии на устройство электропитания и нагрузку в зависимости от определенного состояния и/или количества энергии, требуемого нагрузкой в каждом случае.
Поэтому преимуществом является возможность поддерживать работу нагрузки на высокой мощности в случае, например, меньшего количества энергии, доступной из альтернативных источников энергии, или в случае отключения электросети.
Преимущество состоит в том, что блок управления определяет один или несколько параметров, включая доступность энергии, поставляемой сетями, стоимость энергии и степень интеграции по меньшей мере одного альтернативного источника энергии с доступной энергией, чтобы покрыть энергетические потребности нагрузки.
При таком решении в каждом случае можно выбрать наиболее подходящий источник энергоснабжения, то есть энергию, поставляемую электросетью, или энергию, поставляемую альтернативными источниками энергии, принимая во внимание также стоимость. Так можно избежать необходимости сокращать производство или выключать установки в случае нехватки энергии или чрезмерных затрат на энергию.
В других вариантах, по меньшей мере в случае использования источников возобновляемой энергии, предусмотрено устройство накопления электрической энергии, подключенное между альтернативным источником энергии и устройством электропитания и выполненное с возможностью накапливать энергию, вырабатываемую, когда она не потребляется печью, то есть нагрузкой.
Накопленная энергия может быть использована позже, например, когда альтернативный источник энергии недоступен или не может обеспечить достаточное количество энергии.
Изобретение относится также к способу электропитания установки для плавления и/или нагрева металлических материалов, обеспечивающему питание печи с помощью по меньшей мере одного альтернативного источника энергии, отличного и независимого от электросети.
Краткое описание графических материалов
Эти и другие аспекты, признаки и преимущества изобретения станут понятны из следующего описания, со ссылками на прилагаемые графические материалы (чертежи), некоторых вариантов его осуществления, которыми не ограничен объем изобретения.
На фиг. 1 изображена схема установки для плавления и/или нагрева металлических материалов согласно описываемым здесь вариантам.
На фиг. 2 изображена схема установки для плавления и/или нагрева, снабженная альтернативным источником переменного тока согласно описываемым здесь вариантам.
На фиг. 3 изображена схема установки для плавления и/или нагрева, снабженная альтернативным источником переменного тока согласно другим вариантам.
На фиг. 4 изображена схема установки для плавления и/или нагрева, снабженная альтернативным источником переменного тока согласно описываемым здесь вариантам.
На фиг. 5 изображена схема установки для плавления и/или нагрева, снабженная альтернативным источником постоянного тока согласно другим вариантам.
На фиг. 6 изображена схема установки для плавления и/или нагрева, согласно другим вариантам.
На фиг. 7 изображена схема установки по варианту, проиллюстрированному на фиг. 4.
Для облегчения понимания для идентичных общих элементов на чертежах, где это возможно, использованы одни и те же ссылочные обозначения. Понятно, что элементы и признаки одного варианта могут быть без дополнительных пояснений включены в другие варианты.
Подробное описание предлагаемого изобретения
Далее подробно рассматриваются возможные варианты осуществления изобретения, некоторые из которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Каждый вариант только иллюстрирует изобретение, но не ограничивает его объем. Например, один или несколько признаков, показанных или описанных в той мере, в какой они являются частью одного варианта, могут быть изменены или адаптированы к другим вариантам или в связи с ними для получения новых вариантов. Понятно, что изобретение должно включать все такие возможные модификации и варианты.
Варианты изобретения относятся к установке 10 для плавления и/или нагрева металлических материалов, содержащей электрическую печь 11 и устройство электропитания 12 для питания электрической печи 11.
В некоторых вариантах устройство электропитания 12 выполнено с возможностью питать трехфазные нагрузки.
В некоторых вариантах установка 10 для плавления и/или нагрева содержит средство 13 подачи электроэнергии, выполненное с возможностью подавать энергию к устройству электропитания 12.
Средство 13 подачи электроэнергии содержит по меньшей мере одно соединение 14 с электросетью 15, которая выдает переменные напряжение Ur и ток Ir.
В некоторых вариантах электросеть 15 является трехфазной.
В некоторых вариантах сетевое напряжение Ur и сетевой ток Ir имеют заданную сетевую частоту fr.
Возможны решения, когда величину сетевой частоты fr выбирают между 50 Гц и 60 Гц, то есть, исходя из частоты электросети страны, в которой установлена печь 11.
В некоторых вариантах средство 13 подачи электроэнергии содержит по меньшей мере один альтернативный источник энергии 16, отличный и независимый от электросети 15.
В некоторых вариантах альтернативный источник энергии 16 отделен от электросети 15 и подключен непосредственно к устройству электропитания 12. Под «непосредственным» подключением подразумевается, что альтернативный источник энергии 16 подает энергию в устройство электропитания 12 без взаимодействия с электросетью 15 и, следовательно, без соединения 14.
В некоторых вариантах печь 11 является электродуговой печью, погруженной электродуговой печью, индукционной печью, печью-ковшом или вообще плавильной, рафинировочной или индукционной нагревательной печью типа, подходящего для использоваться на сталелитейном заводе или на заводах по производству стекла.
В последующем описании в качестве примера будут ссылки на электродуговую печь 11, имеющую емкость 17 или корпус, в который вводят расплавляемый металлический материал М.
Печь 11 снабжена также электродами 18, в данном случае тремя электродами 18, обеспечивающими зажигание электрической дуги через металлический материал М и его плавление.
В некоторых вариантах электроды 18 установлены на средствах перемещения 19, выполненных с возможностью выборочного перемещения электродов 18 к металлическому материалу М и от него.
Средства перемещения 19 могут быть выбраны из следующей группы: механический привод, электрический привод, пневматический привод, гидравлический привод, шарнирный механизм, механический кинематический механизм, аналогичные и сравнимые элементы или возможные комбинации перечисленных.
Возможны решения, в которых, если количество электродов 18 равно трем, то каждый из них подключен к соответствующей ступени устройства электропитания 12.
В некоторых вариантах устройство электропитания 12 получает энергию, подаваемую средством 13 подачи электроэнергии, то есть электросетью 15 и/или альтернативным источником 16, и преобразует ее в напряжение и ток питания, имеющие определенные электрические параметры «Ua», «Ia», «fa», подходящие для питания печи 11.
В некоторых вариантах устройство электропитания 12 содержит по меньшей мере один трансформатор 20, подключенный к электросети 15 и обеспечивающий преобразование первичных переменных напряжения и тока во вторичные переменные напряжение и ток.
Возможны решения, когда трансформатор 20 содержит первичную обмотку 21, магнитно связанную с по меньшей мере одной вторичной обмоткой 22.
Возможно решение, когда трансформатор 20 содержит несколько вторичных обмоток 22, магнитно связанных с первичной обмоткой 21. Такое решение позволяет уменьшить влияние помех на стороне сети, то есть уменьшить гармоники и реактивную мощность, обмениваемую с электросетью 15.
Вторичная электрическая энергия, подаваемая трансформатором 20, имеет вторичное напряжение Us, вторичный ток Is и вторичную частоту fs, заранее заданные конструктивными параметрами самого трансформатора 20.
В частности, вторичная частота fs по существу равна частоте fr сети, упоминавшейся выше, или вообще первичной частоте fp тока, циркулирующего в первичной обмотке 21.
Вместо этого вторичное напряжение Us и вторичный ток Is могут быть соотнесены, соответственно, с сетевым напряжением Ur и с сетевым током Ir или вообще с первичным напряжением Up и первичным током Ip первичной обмотки 21, с помощью коэффициента трансформации самого трансформатора 20.
Трансформатор 20, например, многоотводного типа, может быть снабжен регулировочными устройствами (не показаны), предназначенными для избирательной регулировки коэффициента трансформации трансформатора 20 в соответствии с конкретными потребностями.
Предлагаемое устройство электропитания 12 содержит также выпрямители 23, соединенные с трансформатором 20 и выполненные с возможностью преобразовывать переменные вторичные напряжение и ток в промежуточные постоянные напряжение и ток.
В частности, выпрямители 23 позволяют выпрямлять вторичное переменное напряжение Us и вторичный переменный ток Is в соответствующие промежуточное постоянное напряжение Ui и промежуточный постоянный ток Ii.
Выпрямители 23 могут быть выбраны из следующей группы: диодный мост, тиристорный мост.
Возможны решения, когда выпрямители 23 содержат устройства, например, выбранные из следующей группы: диоды, кремниевый выпрямитель, запираемый тиристор, интегрированный затвор-коммутируемый тиристор, тиристор с управлением металл-оксид-полупроводник, биполярный плоскостной транзистор, полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник, биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).
В некоторых вариантах устройство электропитания 12 содержит преобразователи 24, подключенные к выпрямителям 23 и выполненные с возможностью преобразовывать постоянные напряжение и ток в переменные напряжение и ток для питания электродов 18.
Возможны решения, когда преобразователи 24 содержат устройства, выбранные, например, из следующей группы: кремниевый выпрямитель, запираемый тиристор, интегрированный затвор-коммутируемый тиристор, тиристор с управлением металл-оксид-полупроводник, биполярный плоскостной транзистор, полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник, биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).
Возможны решения, когда регулировочные устройства 26 содержат, например, гистерезисный модулятор или широтно-импульсный модулятор.
Эти типы модуляторов можно использовать для управления полупроводниками выпрямителей 23 и преобразователей 24. Эти модуляторы, управляемые соответствующим образом, генерируют значения напряжения или тока, которые должны подаваться на печь 11, в данном конкретном случае на электроды 18.
Возможны решения, когда выпрямители 23 соединены с преобразователями 24 посредством по меньшей мере одной промежуточной цепи 27, работающей на постоянном токе.
Промежуточная цепь 27 может быть выполнена с возможностью хранить электрическую энергию и создавать разделение между выпрямителями 23 и преобразователями 24 и, следовательно, по меньшей мере с электросетью 15 или возможными альтернативными источниками энергии 16, подключенными перед промежуточной цепью 27 относительно печи 11.
Быстрые колебания мощности, возникающие в процессе плавления, частично фильтруются с помощью промежуточной цепи 27, чем уменьшается их влияние на электросеть 15.
Выпрямители 23, преобразователи 24 и промежуточная цепь 27 могут образовывать блок 28 постоянного тока. В частности, блок 28 постоянного тока может содержать постоянные компоненты выпрямителей 23 и преобразователей 24.
В некоторых вариантах, например, описываемых со ссылками на фиг. 2 и фиг. 3, по меньшей мере один альтернативный источник энергии 16 - это источник 31 переменного тока, выполненный с возможностью обеспечивать переменные напряжение UAC и тока IAC.
В некоторых вариантах источник 31 переменного тока подключен к трансформатору 20.
В предпочтительных вариантах источник 31 переменного тока подключен к первичной обмотке трансформатора 21. В этом случае переменные напряжение UAC и тока IAC преобразуются трансформатором 20, выпрямляются выпрямителями 23 и преобразуются преобразователями 24.
В других вариантах источник 31 переменного тока 31 подключен ко вторичной обмотке 22 трансформатора или к каждой из них, даже если в этом случае необходим еще один трансформатор, или к вспомогательные цепи, чтобы получить вторичные напряжение Us и ток Is с желаемыми характеристиками.
В некоторых вариантах источник 31 переменного тока - это источник возобновляемой энергии.
Возможны решения, когда источник возобновляемой энергии включает гидроэлектростанцию или плотину 32, подходящую для преобразования энергии воды в электрическую энергию.
В других вариантах, которые могут быть объединены с предыдущими, источник возобновляемой энергии может быть ветровой электростанцией, имеющей по меньшей мере одну ветровую турбину 33, пригодную для преобразования энергии ветра в электрическую энергию.
В некоторых вариантах предусмотрено двадцать или более ветровых турбин 33, каждая из которых может генерировать электрическую мощность около 5 МВт, чтобы иметь возможность питать печь 11 только за счет энергии, поставляемой этим альтернативным источником энергии 16, по меньшей мере во время работы.
В некоторых вариантах предусмотрен по меньшей мере один генератор 36 переменного тока, выполненный с возможностью вырабатывать электрическую энергию переменного тока.
В некоторых вариантах, например, описываемым со ссылками на фиг. 3, предусмотрено по меньшей мере одно устройство 37 накопления электрической энергии, подключенное между альтернативным источником энергии 16 и устройством электропитания 12.
Устройство 37 накопления электрической энергии выполнено с возможностью накапливать электрическую энергию, вырабатываемую источником возобновляемой энергии 32, 33, когда он не используется для питания печи 11, чтобы сохранить ее и сделать доступной для использования позже. Устройства 37 накопления электрической энергии могут содержать, например, батарею конденсаторов или ультраконденсаторов.
В случае источника переменного тока устройства 37 накопления электрической энергии могут содержать выпрямители и преобразователи, включенные соответственно перед батареей конденсаторов и за нею, выполненные с возможностью соответственно выпрямлять и преобразовывать переменные ток и напряжение.
В других вариантах, описываемых со ссылками на фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 7, и в сочетании с предыдущими вариантами альтернативный источник энергии 16 содержит источник 34 постоянного тока, выполненный с возможностью подавать постоянные напряжение UDC и ток IDC.
В некоторых вариантах источник 34 постоянного тока подключен непосредственно к промежуточной цепи 27 после выпрямителей 23.
В некоторых вариантах предусмотрен однонаправленный электрический компонент 38, обеспечивающий однонаправленность генерируемого тока. Этим предотвращается неправильная полярность электрического тока IDC на входе, что может привести к повреждению компонентов устройства электропитания 12. Однонаправленный электрический компонент 38 может быть, например, диодом или диодной схемой.
Возможны решения, когда источник 34 постоянного тока представляет собой возобновляемый источник энергии, содержащий фотоэлектрические панели 35, обеспечивающие преобразование солнечной энергии в электрическую.
В некоторых вариантах предусмотрено несколько фотоэлектрических панелей, обеспечивающих мощность до 100 МВт и более, чтобы обеспечить адекватную мощность установки 10 для плавления и/или нагрева.
В этом случае постоянные напряжение UDC и ток IDC должны быть только преобразованы преобразователями 24 в переменные напряжение Ua питания и ток Ia питания.
В некоторых варианта, например, описанных со ссылками на фиг. 5, между альтернативным источником энергии 16 и устройством электропитания 12 подключено устройство 37 накопления электрической энергии.
Альтернативные источники энергии 16 могут быть расположены в непосредственной близости от места, где находится нагрузка, в данном случае дуговая печь 11, или же они могут быть расположены в нескольких сотнях метров или в нескольких километрах от такой нагрузки.
На фиг. 7 проиллюстрирован вариант, в котором электродуговая печь 11 расположена в первом узле S1, а альтернативный источник энергии 16 расположен во втором узле S2, например, на расстоянии D от 500 м до 2000 м от первого узла S1.
В этом варианте сложно разместить кабели, размеры которых подходили бы для передачи тока от второго узла S2 к первому узлу S1. На деле фотоэлектрические панели 35, обычно расположенные цепочками параллельно друг другу, имеют постоянное напряжение около 1500 В и должны создавать очень большие токи, так как они должны поставлять энергию, достаточную для питания электродуговой печи 11. Поэтому на расстоянии D, равном 500-2000 м, для сокращения потерь пришлось бы использовать кабели очень больших сечений.
В варианте, проиллюстрированном на фиг. 7, средство 13 подачи электроэнергии содержит преобразователь 41, выполненный с возможностью преобразовывать постоянный ток, обеспечиваемый фотоэлектрическими панелями 35, в переменный ток, чтобы транспортировать энергию к первому узлу S1.
При таком решении энергия может передаваться с очень малыми потерями даже на большие расстояния без чрезмерного увеличения сечения кабелей и облегчается выполнение и монтаж соединений установки 10 для плавления и нагрева. В этом случае альтернативный источник энергии 16 и устройство электропитания 12 могут быть соединены друг с другом посредством одного или нескольких кабелей 40 переменного тока при среднем или высоком напряжении.
В первом узле S1 средство 13 подачи электроэнергии содержит схему 42 выпрямления, например выпрямительный мост, выполненный с возможностью преобразовывать переменный ток в постоянный.
После преобразователя 41 может быть предусмотрен повышающий трансформатор 43, выполненный с возможностью повышать выходное напряжение преобразователя 41, обычно низкое, до среднего или высокого напряжения. Например, повышающий трансформатор 43 может быть выполнен с возможностью выдавать выходное напряжение порядка нескольких киловольт (обычно 11, 22 или 33 кВ).
В этом случае может быть предусмотрен связанный понижающий трансформатор 44, подходящий для понижения напряжения, подаваемого по кабелю 40, до низкого или среднего значения, соответствующего значению по промежуточной цепи 27. Понижающий трансформатор 44 предпочтительно расположен перед выпрямительным мостом 42, если таковой имеется.
В других вариантах (на чертежах не показаны) предусмотрено, что переменный ток подается непосредственно на трансформатор 20, возможно, после преобразования, если необходимо, с помощью понижающего трансформатора 43.
В других вариантах альтернативный источник энергии 16 - это невозобновляемый источник энергии, выполненный с возможностью получать электроэнергию путем сжигания ископаемого топлива, при этом невозобновляемый источник выбран из следующей группы: газовые турбины, вспомогательные электрогенераторы, работающие на угле или нефти.
В некоторых вариантах предусмотрено два или более альтернативных источников энергии 16 одного и того же или разных типов.
Например, в вариантах, проиллюстрированных на фиг. 6, предусмотрен первый альтернативный источник энергии 16AC, содержащий источник 31 переменного тока, подключенный к трансформатору 20 устройства электропитания 12, и второй альтернативный источник энергии 16DC, содержащий источник 34 постоянного тока, подключенный к промежуточной цепи 27.
Благодаря конструкции устройства электропитания к нему можно подключить несколько альтернативных источников энергии 16, снабженных соответствующими источниками 31 переменного тока или источниками 34 постоянного тока без необходимости наличия других компонентов.
Однако ясно, что к трансформатору 20 можно подключить источник 34 постоянного тока, предусмотрев между ними преобразователь для преобразования постоянных напряжения и тока UDC, IDC в переменные напряжение и ток UAC, IAC.
И наоборот, может быть предусмотрено подключение источника 31 переменного тока к промежуточной цепи 27 или к блоку 28, используя выпрямительное устройство для преобразования переменных напряжения и тока UAC, IAC в постоянные напряжение и ток UDC, IDC.
В некоторых вариантах, например, описанных со ссылками на фиг. 1 и фиг. 6, установка 10 для плавления и/или нагрева содержит блок управления 39, выполненный с возможностью управлять одним или более параметрами, такими как функциональное состояние, качество, доступность энергии и/или стоимость энергии, поставляемой электросетью 15 и, соответственно, одним или более альтернативными источниками энергии 16, 16AC, 16DC, и количество энергии, требуемое печью 11, и выбрать одно, другое или оба, чтобы подавать энергию на устройство электропитания 12.
Под доступностью понимается количество энергии, произведенной и/или аккумулированной альтернативным источником энергии 16.
Затраты могут быть рассчитаны на основе тарифов электросети 15, на основе 
интервалов использования, если они связаны с разными затратами, на основе затрат на управление альтернативными источниками энергии 16, на основе стоимости сырья и т. п. В случае невозобновляемых источников их можно рассчитать, например, на основе стоимости нефти или угля.
В некоторых вариантах установка 10 для плавления и/или нагрева содержит счетные устройства, связанные с источниками альтернативной энергии 16 и выполненные с возможностью подсчитывать и/или контролировать количество энергии, производимой возобновляемыми источниками 32, 33, 35.
В некоторых вариантах установка 10 для плавления и/или нагрева содержит устройства, подходящие для определения и/или оценки мощности, потребляемой печью 11 во времени, и предоставления этой информации блоку управления 39.
В зависимости от определенного состояния, то есть от количества энергии, произведенной в каждом случае альтернативным источником энергии 16, и, возможно, от количества энергии, накопленной в устройстве (устройствах) 37 накопления электрической энергии, блок управления 39 может определить, использовать ли в качестве средства 13 подачи энергии электросеть 15, или альтернативные источники энергии 16, или и то и другое.
Блок управления 39 может быть выполнен с возможностью выбирать в каждом случае всех те и только те средства 13 подачи электроэнергии, которые необходимы, с одной стороны, для обеспечения правильного функционирования установки 10 для плавления и/или нагрева, а с другой стороны, для оптимизации общего потребления энергии, чтобы сократить потребление энергии от электросети 15.
В других вариантах устройство электропитания 12 содержит блок управления 25, выполненный с возможностью управлять работой преобразователей 24, а также регулировать подаваемые на электроды 18 переменное напряжение и ток питания во времени.
В некоторых вариантах блок управления 25 управляет преобразователями 24, чтобы выборочно устанавливать параметры переменных напряжения Ua и тока питания Ia.
В некоторых вариантах блок управления 25 снабжен устройствами регулирования 26, выполненными с возможностью регулировать частоту «fa» переменных напряжения «Ua» и тока питания «Ia» и одновременно обеспечивать изменение реактивного сопротивления цепи питания печи 11.
В частности, напряжение питания «Ua» и ток «Ia» выборочно регулируются в зависимости от задействованной мощности плавления.
Возможны решения, когда трансформатор 20, выпрямители 23, подключенные к трансформатору 20, и преобразователи 24 вместе образуют силовой модуль 29.
В некоторых вариантах устройство электропитания 12 снабжено силовыми модулями 29, подключенными параллельно друг другу к электросети 15 и к электропечи 11.
В некоторых вариантах силовые модули 29 подключены параллельно друг другу к альтернативному источнику энергии 16 и к электропечи 11.
Комбинация нескольких силовых модулей 29 позволяет получить масштабируемое устройство электропитания 12 с размерами, соответствующими конкретному размеру питаемой печи 11.
Возможно решение, когда блок управления 25 подключен ко всем силовым модулям 29 для управления по меньшей мере соответствующими преобразователями 24, чтобы каждый модуль обеспечивал одинаковые значения напряжения, тока и частоты питания для электродов 18. При таком решении можно избежать сбоев в работе всей системы.
Возможно решение, когда устройство электропитания 12 содержит катушку индуктивности 30, выполненную с возможностью получать желаемое общее реактивное сопротивление устройства.
Катушка индуктивности 30 может быть подключена после преобразователей 24 и имеет размеры, обеспечивающие достижение желаемого полного эквивалентного реактивного сопротивления. При таком решении можно получить общее реактивное сопротивление, определяемое катушкой индуктивности 30, и реактивное сопротивление, вносимое проводниками, соединяющими устройство электропитания 12 с электропечью 11, в данном случае с электродами 18.
Как правило, индуктивность - это проектный параметр, который нельзя изменить после сборки компонента.
Изменяя частоту (например, относительно частоты сети 50 Гц) можно при той же индуктивности изменять реактивное сопротивление, которое компонент принимает в цепи, и, следовательно, достигать желаемого полного эквивалентного реактивного сопротивления.
В случае электродуговой печи 11 возможно решение, когда блок управления 25, в свою очередь, также соединен с устройством перемещения 19, обеспечивая возможность регулировать положение электродов 18 на разных стадиях процесса плавления.
Электроды 18 перемещаемы устройством перемещения 19, чтобы следовать за положением материала и, таким образом, изменять длину дуги.
При таком решении блок управления 25 обеспечивает управление, в зависимости от конкретных стадий процесса, по меньшей мере следующими параметрами: напряжение питания Ua, ток питания Ia, частота питания fa и положение электродов 18, если таковые имеются.
Широкие возможности управления различными параметрами позволяют оптимизировать передачу энергии в процесс и в то же время уменьшать возмущения в электросети 15 и/или в альтернативных источниках энергии 16, возникающие при быстрых изменениях мощности на стороне печи.
Описываемые здесь варианты осуществления изобретения относятся также к способу электропитания печи 11 установки 10 для плавления и/или нагрева металлического материала М.
В некоторых вариантах способ обеспечивает подачу электрической энергии с помощью средства 13 подачи электроэнергии в устройство электропитания 12 и преобразование электрической энергии с помощью устройства электропитания 12, чтобы получить переменное напряжение питания Ua и переменный ток Ia питания для подачи в печь 11.
В некоторых вариантах способ включает
- подачу через электросеть 15 первичных напряжения Up и тока Ip к трансформатору 20,
- преобразование с помощью трансформатора 20 первичных напряжения Up и тока Ip во вторичные напряжение Us и ток Is,
- выпрямление вторичных напряжения Us и тока Is с помощью выпрямителей 23 для получения постоянных напряжения Ui и тока Ii,
- преобразование с помощью преобразователей 24 постоянных напряжения Ui и тока Ii в переменные напряжение питания Ua и ток питания Ia, которые можно выборочно задавать с помощью блока управления 25, подключенного к преобразователям 24,
- подачу напряжения питания Ua и тока питания Ia в печь 11.
В некоторых вариантах способ предусматривает подачу энергии в печь 11 в дополнение или в качестве альтернативы энергии, поставляемой электросетью 15, по меньшей мере одним альтернативным источником энергии 16, подключенным к устройству электропитания 12, отличным от электросети 15, и независимым от нее.
В некоторых вариантах способ обеспечивает определение одного или нескольких параметров, таких как доступность энергии, подаваемой по сетям, стоимость энергии и степень интеграции энергии, доступной из альтернативных источников, необходимой для покрытия энергетических потребностей печи 11, и использование этих параметров, чтобы определить, следует ли подавать энергию на устройство электропитания 12 от электросети 15, или от альтернативного источника энергии 16, или от того и от другого.
В некоторых вариантах способ электропитания предусматривает использование источника 31 переменного тока и подачу переменных напряжения и тока UAC, IAC непосредственно на первичную обмотку 21 трансформатора.
В некоторых вариантах способ электропитания предусматривает использование источника 34 постоянного тока и подачу постоянных напряжения и тока UDC, IDC непосредственно в промежуточную цепь 27 после выпрямителей 23.
Понятно, что в установку 10 для плавления и/или нагрева, а также в способ электропитания, описанные выше, могут быть внесены модификации и/или добавления частей или стадий без отклонения от области и объема изобретения.
Ясно также, что, хотя изобретение было описано со ссылками на некоторые конкретные примеры, специалист безусловно сможет реализовать многие другие эквивалентные формы установки 10 для плавления и/или нагрева и способа ее электропитания, имеющие признаки, изложенные в формуле изобретения, которые, следовательно, все попадают в определенный ею объем охраны.
Изобретение относится к установке для плавления и/или нагрева металлического материала. Технический результат заключается в обеспечении установки для плавления и/или нагрева металлических материалов, которая может функционировать, по меньшей мере частично, независимо от электросети. Установка для плавления и/или нагрева металлического материала содержит печь, средство подачи электроэнергии и устройство электропитания, включенное между средством подачи электроэнергии и печью, при этом устройство электропитания содержит по меньшей мере один трансформатор, подключенный к электросети и выполненный с возможностью принимать первичное переменное напряжение (Up) и первичный переменный ток (Ip) и преобразовывать их во вторичное переменное напряжение (Us) и вторичный переменный ток (Is), выпрямители, подключенные к трансформатору и выполненные с возможностью преобразовывать вторичное переменное напряжение (Us) и вторичный переменный ток (Is) в постоянное промежуточное напряжение (Ui) и постоянный промежуточный ток (Ii), преобразователи, подключенные с одной стороны к выпрямителям, а с другой стороны к печи, выполненные с возможностью преобразовывать постоянное промежуточное напряжение (Ui) и постоянный промежуточный ток (Ii) в переменное напряжение питания (Ua) и переменный ток питания (Ia), подаваемые в печь, которые могут выборочно устанавливаться с помощью блока управления, подключенного к преобразователям. Средство подачи электроэнергии содержит по меньшей мере один альтернативный источник энергии, отличный и независимый от электросети, подключенный к устройству электропитания и выполненный с возможностью подавать энергию для питания печи в дополнение или в качестве альтернативы к электроэнергии, поставляемой электросетью, причем упомянутый по меньшей мере один альтернативный источник энергии содержит источник постоянного тока, выполненный с возможностью подавать постоянные напряжение (UDC) и ток (IDC), при этом источник постоянного тока подключен к промежуточной цепи устройства электропитания за выпрямителями, и между источником постоянного тока и промежуточной цепью постоянного тока предусмотрен однонаправленный электрический компонент, выполненный с возможностью обеспечивать однонаправленность производимого тока и предотвращать повреждение компонентов упомянутого устройства электропитания неправильной полярностью электрического тока (IDC) на входе. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.
1. Установка для плавления и/или нагрева металлического материала (М), содержащая печь (11), средство (13) подачи электроэнергии и устройство электропитания (12), включенное между средством (13) подачи электроэнергии и печью (11), при этом устройство электропитания (12) содержит:
- по меньшей мере один трансформатор (20), подключенный к электросети (15) и выполненный с возможностью принимать первичное переменное напряжение (Up) и первичный переменный ток (Ip) и преобразовывать их во вторичное переменное напряжение (Us) и вторичный переменный ток (Is),
- выпрямители (23), подключенные к трансформатору (20) и выполненные с возможностью преобразовывать вторичное переменное напряжение (Us) и вторичный переменный ток (Is) в постоянное промежуточное напряжение (Ui) и постоянный промежуточный ток (Ii),
- преобразователи (24), подключенные с одной стороны к выпрямителям (23), а с другой стороны к печи (11), выполненные с возможностью преобразовывать постоянное промежуточное напряжение (Ui) и постоянный промежуточный ток (Ii) в переменное напряжение питания (Ua) и переменный ток питания (Ia), подаваемые в печь (11), которые могут выборочно устанавливаться с помощью блока управления (25), подключенного к преобразователям (24),
отличающаяся тем, что средство (13) подачи электроэнергии содержит по меньшей мере один альтернативный источник энергии (16), отличный и независимый от электросети (15), подключенный к устройству электропитания (12) и выполненный с возможностью подавать энергию для питания печи (11) в дополнение или в качестве альтернативы к электроэнергии, поставляемой электросетью (15),
причем упомянутый по меньшей мере один альтернативный источник энергии (16) содержит источник (34) постоянного тока, выполненный с возможностью подавать постоянные напряжение (UDC) и ток (IDC), при этом источник (34) постоянного тока подключен к промежуточной цепи (27) устройства электропитания (12) за выпрямителями (23), и
между источником (34) постоянного тока и промежуточной цепью (27) постоянного тока предусмотрен однонаправленный электрический компонент (38), выполненный с возможностью обеспечивать однонаправленность производимого тока и предотвращать повреждение компонентов упомянутого устройства электропитания (12) неправильной полярностью электрического тока (IDC) на входе.
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутый по меньшей мере один альтернативный источник энергии (16) содержит источник (31) переменного тока, выполненный с возможностью подавать переменные напряжение (UAC) и ток (IAC), при этом источник (31) переменного тока (31) соединен с упомянутым трансформатором (20).
3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что трансформатор (20) содержит первичную обмотку (21) и вторичную обмотку (22), магнитно связанную с первичной обмоткой (21), и источник (31) переменного тока подключен к первичной обмотке (21) трансформатора.
4. Установка по любому из пп. 2 или 3, отличающаяся тем, что источник (31) переменного тока - это возобновляемый источник энергии, выбранный из следующей группы: гидроэлектростанция или плотина (32), подходящая для преобразования энергии воды в электрическую, или ветряная электростанция, содержащая по меньшей мере одну ветровую турбину (33), подходящую для преобразования энергии ветра в электрическую, и по меньшей мере один генератор (36) переменного тока, выполненный с возможностью вырабатывать электрическую энергии переменного тока.
5. Установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что источник (34) постоянного тока - это возобновляемый источник энергии, содержащий фотоэлектрические панели (35), пригодные для преобразования солнечной энергии в электрическую.
6. Установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что печь (11) расположена в первом узле (S1), а альтернативный источник энергии (16) расположен во втором узле (S2), расположенном на расстоянии (D) от 500 м до 2000 м от первого узла (S1), и средство (13) подачи электроэнергии содержит один или более кабелей 40 переменного тока среднего или высокого напряжения, соединяющих альтернативный источник энергии (16) с устройством электропитания (12).
7. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что средство (13) подачи электроэнергии содержат преобразователь (41) для преобразования постоянного тока в переменный ток в соответствии со вторым узлом (S2) и схему выпрямления (43), выполненную с возможностью преобразовывать переменный ток в постоянный ток в первом узле (S1).
8. Установка по любому из пп. 4 или 5, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одно устройство (37) накопления электрической энергии, подключенное между упомянутым по меньшей мере одним альтернативным источником энергии (16) и устройством электропитания (12) и выполненное с возможностью накапливать энергию, производимую возобновляемым источником энергии, когда он не используется для питания печи (11).
9. Установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что упомянутый по меньшей мере один альтернативный источник энергии (16) это невозобновляемый источник энергии, выполненный с возможностью получать электрическую энергию путем сжигания ископаемого топлива, при этом невозобновляемый источник энергии выбран из следующей группы: газовые турбины, вспомогательные генераторы тока.
10. Установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что содержит блок управления (39), выполненный с возможностью управлять одним или более параметрами, такими как функциональное состояние, качество, количество и/или стоимость электроэнергии, доступной из электросети (15) и из упомянутого по меньшей мере одного альтернативного источника энергии (16), а также количество энергии, необходимое для печи (11), и выбрать одно, другое или и то и другое для подачи энергии в устройство электропитания (12) и следовательно, в печь (11) по меньшей мере в зависимости от функционального состояния и общих затрат на энергию.
11. Установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что трансформатор (20), выпрямители (23) и преобразователь (24) образуют силовой модуль (29), а устройство электропитания (12) содержит силовые модули (29), включенные параллельно друг другу между электросетью (15) и печью (11), а также между альтернативным источником энергии (16) и печью (11).
12. Способ электропитания печи (11) установки (10) для плавления и/или нагрева металлических материалов (М), предусматривающий подачу электрической энергии с помощью средства (13) подачи электроэнергии устройству электропитания (12) и преобразование этой электроэнергии с помощью устройства электропитания (12) для получения переменных напряжения питания (Ua) и тока питания (Ia) для подачи в печь (11), при этом способ включает:
- подачу через электросеть (15) первичных напряжения (Up) и тока (Ip) к трансформатору (20),
- преобразование с помощью трансформатора (20) первичных напряжения (Up) и тока (Ip) во вторичные напряжение (Us) и ток (Is),
- выпрямление вторичных напряжения (Us) и тока (Is) с помощью выпрямителей (23) для получения постоянных напряжения (Ui) и тока (Ii),
- преобразование с помощью преобразователей (24) постоянных напряжения (Ui) и тока (Ii) в переменные напряжение питания (Ua) и ток питания (Ia), выборочно устанавливаемые блоком управления (25), соединенным с преобразователями (24),
- подачу напряжения питания (Ua) и тока питания (Ia) в печь (11),
отличающийся тем, что он в дополнение или в качестве альтернативы к электрической энергии из электросети (15) обеспечивает подачу электроэнергии в печь (11) от по меньшей мере одного альтернативного источника энергии (16), отличного и независимого от электросети (15) и подключенного к устройству электропитания (12),
причем упомянутый по меньшей мере один альтернативный источник энергии (16) содержит источник (34) постоянного тока, выполненный с возможностью подавать постоянные напряжение (UDC) и ток (IDC), при этом источник (34) постоянного тока подключен к промежуточной цепи (27) устройства электропитания (12) за выпрямителями (23), и
предусмотрен однонаправленный электрический компонент (38), выполненный с возможностью обеспечивать однонаправленность производимого тока.
13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что он предусматривает определение и/или отслеживание одного или более параметров, таких как функциональное состояние, доступность энергии и стоимость энергии, поставляемой электросетью (15) и альтернативным источником энергии (16), и количество электроэнергии, необходимое для печи (11), и определение, следует ли использовать один, другой или оба из упомянутых источников, то есть электросеть (15) и/или альтернативный источник энергии (16) для подачи на устройство электропитания (12) и, следовательно, печи (11) по меньшей мере в зависимости от определенного состояния и/или количества энергии, требуемой для печи (11).
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что упомянутый альтернативный источник энергии (16) - это возобновляемый источник энергии (32, 33, 35) и способ предусматривает накопление электроэнергии, произведенной возобновляемым источником энергии (32, 33, 35) по меньшей мере в одном устройстве (37) накопления электрической энергии, чтобы иметь возможность использовать его позже.
| WO 2019207609 A1, 31.10.2019 | |||
| CN 207218260 U, 10.04.2018 | |||
| ITVI 20090180 A1, 20.01.2011 | |||
| US 2019018437 A1, 17.01.2019 | |||
| US 2010181837 A1, 22.07.2010 | |||
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ В ЭЛЕКТРОДУГОВУЮ ПЕЧЬ | 2015 |
|
RU2632366C2 |
