ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДУГОВОЙ ПЕЧИ СО СХЕМОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК H02M5/257 H05B7/144 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится области дуговых печей. В частности, изобретение относится к системе электропитания для электродуговой печи, способу управления системой электропитания, а также к дуговой печи с такой системой электропитания.

Уровень техники

Электродуговые печи часто непосредственно подключаются к сети переменного тока (AC) через трансформатор. Тогда может быть трудно ограничивать ток электрода во время работы, что может ограничивать использование электрода и производительность. Дополнительно, трансформатор может тогда нуждаться в дорогостоящей системе переключателя ответвлений под нагрузкой, которая часто используется, и дуговая печь может формировать пульсацию в AC-сети. Следовательно, дополнительный статический регулируемый компенсатор может быть необходим, чтобы смягчать проблемы пульсации.

В EP 0 589 544 B1 и US 6 603 795 B2 показан источник питания дуговой печи, который приспосабливается для ограничения тока электрода с помощью последовательно соединенных встречно-параллельных тиристоров с или без параллельной индукционной катушки. Таким образом, производительность дуговой печи может быть улучшена. Однако, посредством ограничения тока, внутреннее сопротивление дуговой печи может быть увеличено больше необходимого, что может снижать эффективность дуговой печи.

US 2011/176575 A1 относится к системе электропитания для трехфазной дуговой печи с AC/AC-преобразователем, состоящим из выпрямителя и инвертора. Выпрямитель и инвертор содержат последовательно соединенные элементы преобразователя с конденсаторами элементов.

EP 2 947 766 A1 также относится к источнику питания для дуговой печи. Источник питания содержит систему преобразователя с блоками преобразователя, каждый из которых содержит главные модули, которые состоят из последовательно соединенных элементов преобразователя.

Описание изобретения

Задачей изобретения является предоставление источника питания дуговой печи, с регулируемым током электрода и высокой эффективностью.

Эта задача решается посредством объекта изобретения из независимых пунктов формулы изобретения. Дополнительные примерные варианты осуществления очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения и последующего описания.

Первый аспект изобретения относится к системе электропитания для электродуговой печи. Электродуговая печь может быть устройством, которое приспособлено для плавления или переплавки металлических материалов с помощью электрической дуги, которая создается посредством электрического тока. Электрический ток создается системой электропитания, которая может быть подключена между средней AC-электросетью и электродами дуговой печи. Система электропитания также может содержать трансформатор, который преобразует среднее входное напряжение переменного тока в низкое выходное напряжение переменного тока, которое подается к электродам.

Среднее напряжение может быть напряжением между 1 кВ и 20 кВ. Низкое напряжение может быть напряжением ниже 1 кВ. Следует отметить, что ток через электроды может быть выше 1000 А.

Система электропитания может быть многофазной системой, имеющей несколько, например, три, фазы. Входное напряжение может быть трехфазным напряжением, например, с частотой 50 или 60 Гц.

Согласно варианту осуществления изобретения, система электропитания содержит AC-вход, который может содержать одну или более фаз, соединяемых с электрической сетью, и AC-выход, который может содержать одну или более фаз для питания по меньшей мере одного электрода дуговой печи. AC-вход может содержать три фазы. Также, AC-выход может содержать три фазы. AC-вход имеет по меньшей мере две фазы, например, три фазы, и/или AC-выход имеет по меньшей мере две фазы, например, три фазы.

Согласно варианту осуществления изобретения, система электропитания содержит схемы преобразователя, соединяющие AC-вход и AC-выход. Схема преобразователя может быть или может содержать инвертор источника напряжения, т.е., преобразователь с конденсатором в качестве хранилища энергии. Схема преобразователя, как описано выше и в последующем, соединяется с каждой фазой AC-входа или AC-выхода. В случае многофазной системы, каждая фаза на стороне источника электропитания перед или после трансформатора может быть снабжена схемой преобразователя.

Каждая схема преобразователя может содержать по меньшей мере один элемент преобразователя с конденсатором и полупроводниковыми переключателями для последовательного соединения конденсатора между входом схемы и выходом схемы в схеме преобразователя. Элемент преобразователя может быть плавающим элементом преобразователя, взаимосвязанным с фазой системы электропитания.

Каждая схема преобразователя и/или элемент преобразователя может быть инвертором источника напряжения, который может быть приспособлен обрабатывать примерно 10%-15% основной мощности системы электропитания.

С помощью схем преобразователя и/или элемента преобразователя поток мощности через систему электропитания может регулироваться, и опционально ток короткого замыкания может быть ограничен. В частности, ток через устройство электропитания может управляться и/или регулироваться до конкретного определенного тока, который может быть ниже и/или выше максимального тока, который может быть создан системой электропитания. Более высокий ток может быть создан с помощью усиления тока.

Согласно варианту осуществления изобретения, полупроводниковые переключатели элемента преобразователя формируют два параллельно соединенных полумоста, средние точки которых соединяются между входом схемы и выходом схемы. Полумост может содержать два последовательно соединенных полупроводниковых переключателя, предусматривающих среднюю точку между ними. Два параллельных полумоста могут рассматриваться как полный мост. Полупроводниковые переключатели могут быть множеством IGCT и/или IGBT.

Согласно варианту осуществления изобретения, конденсатор подключается параллельно полумостам. Таким образом, конденсатор может быть отсоединен от токовой цепи между входом схемы и выходом схемы и/или может быть подключен к токовой цепи. Кроме того, конденсатор может быть подключен в обратных направлениях по отношению к токовой цепи.

Согласно варианту осуществления изобретения, каждая схема преобразователя содержит множество элементов преобразователя, соединенных последовательно между входом схемы и выходом схемы. Каждый из этих элементов преобразователя может быть спроектирован, как описано выше и ниже. Таким образом, номинальное напряжение схемы преобразователя может быть улучшено.

Согласно варианту осуществления изобретения, каждая схема преобразователя содержит управляемый обходной переключатель, который соединяется параллельно по меньшей мере с одним элементом преобразователя, и который выполнен с возможностью соединения и разъединения входа схемы и выхода схемы. Когда обходной переключатель разомкнут, ток может протекать только через схему преобразователя по меньшей мере через один элемент преобразователя от входа схемы к выходу схемы и наоборот. В случае, когда обходной переключатель замкнут, ток также может протекать от входа схемы через обходной переключатель к выходу схемы и наоборот. С помощью обходного переключателя элемент преобразователя может быть обойден и/или защищен от перегрузки по току и/или перенапряжения.

Согласно варианту осуществления изобретения, обходной переключатель состоит из полупроводниковых переключателей. Например, обходной переключатель может содержать один или более транзисторов или тиристоров, таких как множество IGBT, IGCT и т.д. Функциональность обхода может быть реализована посредством полупроводниковых переключателей (таких как IGCT) элементов преобразователя, так что отдельный обход может быть не нужен.

Согласно варианту осуществления изобретения, обходной переключатель является двухсторонним переключателем. Это может быть осуществлено посредством соединения двух однонаправленных полупроводниковых переключателей встречно-параллельно друг другу.

Согласно варианту осуществления изобретения, обходной переключатель содержит два встречно-параллельных полупроводниковых переключателя, таких как два встречно-параллельных тиристора. Тиристоры выполнены с возможностью переключения высоких токов, которые обычно присутствуют в источнике питания дуговой печи.

Согласно варианту осуществления изобретения, обходной переключатель является механическим переключателем. Механический переключатель может содержать механические компоненты, которые приводятся в действие приводом для разъединения/соединения своих входов.

Согласно варианту осуществления изобретения, индукционная катушка может быть соединена последовательно по меньшей мере с одним элементом преобразователя. В общем, может быть так, что опциональные одно или более пассивных реактивных сопротивлений (таких как конденсаторы, индукционные катушки и/или электрические реакторы) соединяются последовательно с элементом преобразователя и/или параллельно с обходным переключателем.

Согласно варианту осуществления изобретения, дополнительная индукционная катушка может быть соединена последовательно с обходным переключателем между входом схемы и выходом схемы. Дополнительная индукционная катушка может быть развязана от тока через схему преобразователя, когда обходной переключатель является разомкнутым.

Согласно варианту осуществления изобретения, дополнительная индукционная катушка присоединена параллельно по меньшей мере с одним элементом преобразователя и/или пассивным реактивным сопротивлением, таким как индукционная катушка, конденсатор и т.д., соединенным последовательно по меньшей мере с одним элементом преобразователя. Когда обходной переключатель является замкнутым, ток через обходной переключатель также может протекать через дополнительную индукционную катушку.

Согласно варианту осуществления изобретения, индукционная катушка, которая соединяется последовательно по меньшей мере с одним элементом преобразователя, имеет более высокую индуктивность по сравнению с дополнительной индукционной катушкой. Например, индукционная катушка может иметь индуктивность по меньшей мере в 10 раз выше дополнительной индукционной катушки.

Согласно варианту осуществления изобретения, система электропитания дополнительно содержит трансформатор, который соединяется между AC-входом и AC-выходом системы электропитания. Как уже описано, трансформатор, который может быть многофазным трансформатором, может преобразовывать более высокое напряжение на AC-входе в более низкое напряжение на AC-выходе.

Согласно варианту осуществления изобретения, трансформатор может быть соединен между AC-входом и схемой преобразователя. Другими словами, схема преобразователя может быть предусмотрена на стороне системы электропитания с более высоким напряжением и/или первичной обмотке трансформатора.

Согласно варианту осуществления изобретения, трансформатор может быть соединен между схемой преобразователя и AC-выходом. Другими словами, схема преобразователя может быть предусмотрена на стороне системы электропитания с более низким напряжением и/или вторичной обмотке трансформатора.

Согласно варианту осуществления изобретения, трансформатор имеет обмотки, соединенные с нейтральной точкой звезды на первичной обмотке и/или вторичной обмотке, при этом схема преобразователя соединяется с нейтральной точкой звезды. Схема преобразователя может содержать трехфазные части, которые соединяются звездой на одном конце и соединяются с обмотками на другом конце. Каждая из этих фазных частей может быть спроектирована аналогично однофазной схеме преобразователя, как описано выше и ниже.

Вкратце, схема преобразователя может быть соединена с первичной обмоткой, со вторичной обмоткой, в первичной обмотке и/или во вторичной обмотке трансформатора.

Согласно варианту осуществления изобретения, система электропитания дополнительно содержит фильтр гармоник, соединенный с AC-входом. С помощью фильтра гармоник гармоники высшего порядка в напряжении на AC-входе, которые могут создаваться компонентами дуговой печи, могут быть отфильтрованы. Фильтр гармоник может содержать по меньшей мере два компонента фильтра, каждый из которых содержит конденсатор фильтра и индукционную катушку фильтра, и каждый из которых приспособлен к другой гармонике высшего порядка для напряжения питания, т.е., напряжения на AC-входе.

Фильтр гармоник может быть емкостным и/или индуктивным фильтром, соединенным параллельно с AC-входом. В случае многофазной системы компоненты фильтра гармоник могут соединять звездой фазы AC-входа. Следует отметить, что также последовательно соединенный фильтр может быть соединен с AC-входом.

Согласно варианту осуществления изобретения, система электропитания дополнительно содержит активный индуктивный реактор, соединенный с AC-входом, при этом активный индуктивный реактор содержит обходной переключатель и индукционную катушку, соединенную с AC-входом. Обходной переключатель активного индуктивного реактора может быть спроектирован как обходной переключатель схемы преобразователя, например, с двумя встречно-параллельными тиристорами. В случае многофазной системы, активный индуктивный реактор может иметь ветви реактора, которые соединяют звездой фазы AC-входа.

Согласно варианту осуществления изобретения, система электропитания дополнительно содержит компенсирующий преобразователь, соединенный с AC-входом. Компенсирующий преобразователь может быть источником напряжения на основе статического компенсатора (STATCOM). В случае многофазной системы, компенсирующий преобразователь может иметь ветви преобразователя, которые соединяют звездой фазы AC-входа.

Активный индуктивный реактор и/или компенсирующий преобразователь могут управляться контроллером системы электропитания и/или могут быть использованы для компенсации изменений потока мощности через систему электропитания и/или для компенсации изменений напряжения на AC-входе.

Согласно варианту осуществления изобретения, активный индуктивный реактор и/или компенсирующий преобразователь управляются, чтобы минимизировать пульсацию на AC-входе. Пульсация может быть минимизирована в точке общего соединения дуговой печи с электрической сетью. Уменьшение пульсации может быть второй целью управления в дополнение к управлению потоком мощности к дуговой печи. Однако, дополнительно и/или альтернативно, пульсация также может управляться по меньшей мере с помощью одного элемента преобразователя схемы преобразователя.

Пульсация в электрической сети может быть колебаниями в напряжении сети и может быть определена на основе измерений напряжения на AC-входе. Стандарт IEC 61000-4-15 предоставляет способы и/или формулы для оценки пульсации.

Дополнительные аспекты изобретения относятся к способу и контроллеру для управления системой электропитания, как описано выше и в последующем. Следует понимать, что признаки способа, которые описаны выше и в последующем, могут быть признаками контроллера и/или системы электропитания, как описано выше и в последующем. Контроллер может быть приспособлен для автоматического выполнения способа.

Согласно варианту осуществления изобретения, способ содержит: определение тока электрода, подаваемого по меньшей мере на один электрод; и управление по меньшей мере одним элементом преобразователя, так что ток электрода регулируется до определенного тока, такого как номинальный ток. Ток через систему электропитания может быть измерен посредством контроллера на входной стороне и/или на выходной стороне. Из него может быть определен ток электрода. В зависимости от необходимой мощности, которая должна быть подана к электродам, которая, например, может зависеть от фазы процесса плавления и/или количества расплавленного материала, определенный ток может быть предоставлен, и контроллер может регулировать ток электрода до этого тока. Определенный ток может быть предоставлен контроллером, например, на основе измерений в системе электропитания. Способ предоставляет возможность управления током, ограничения тока и/или повышения тока. Заданный ток может быть определен, так что реализуется управление током, ограничение тока и/или повышение тока.

Поток мощности через систему электропитания может управляться посредством управления и/или воздействия на сдвиг фаз между напряжением AC-входа (т.е., напряжением на AC-входе) и напряжением AC-выхода (т.е., напряжением на AC-выходе, прикладываемым по меньшей мере к одному электроду). Этот сдвиг фаз может регулироваться посредством управления по меньшей мере одним элементом преобразователя.

Согласно варианту осуществления изобретения, способ дополнительно содержит: определение пульсации на AC-входе системы электропитания; и управление элементом преобразователя, так что пульсация уменьшается. Пульсация может активно управляться с помощью схемы преобразователя. Следовательно, компенсирующий преобразователь (такой как описанный выше и ниже, может быть пропущен или по меньшей мере может быть уменьшен в размере).

Согласно варианту осуществления изобретения, способ дополнительно содержит: во время запуска системы электропитания, обход элемента преобразователя посредством замыкания обходного переключателя; и, после снабжения энергией трансформатора, соединенного между AC-входом и AC-выходом, управление элементом преобразователя для регулирования тока электрода и размыкание обходного переключателя. Таким образом, выбросы тока, создаваемые трансформатором, при соединении системы электропитания с электрической сетью, могут быть обойдены, и элемент преобразователя может быть защищен во время запуска.

Согласно варианту осуществления изобретения, способ дополнительно содержит: обнаружение перенапряжения и/или выброса тока в схеме преобразователя; и защиту схемы преобразователя, когда обнаруживается перенапряжение и/или выброс тока, посредством переключения схемы преобразователя в состоянии обхода. Состояние обхода может быть состоянием, в котором элемент преобразователя или по меньшей мере компоненты элемента преобразователя, такие как конденсатор элемента, обходятся.

Согласно варианту осуществления изобретения, схема преобразователя переключается в состояние обхода посредством переключения элемента преобразователя в состояние обхода. В состоянии обхода конденсатор элемента может быть отсоединен от входов элемента преобразователя.

Согласно варианту осуществления изобретения, схема преобразователя переключается в состояние обхода посредством замыкания и/или размыкания обходного переключателя. Обходной переключатель может быть использован для защиты схемы преобразователя против перенапряжения и/или выбросов тока, например, во время запуска и/или работы в неустановившемся режиме. Напряжение и/или ток в схеме преобразователя могут быть измерены посредством контроллера, который также может сравнивать эти значения с пороговыми значениями, которые указывают перенапряжение и/или выброс тока. Когда соответствующие значения превышают пороговое значение, функция защиты может быть активизирована. Например, обходной переключатель может быть замкнут, чтобы уменьшать напряжение на концах элемента преобразователя и опциональных последовательно соединенных реакторах и/или чтобы уменьшать ток через эти компоненты. Когда ситуация короткого замыкания заканчивается, обходной переключатель может быть возвращен в свое первоначальное состояние.

Дополнительный аспект изобретения относится к электродуговой печи, которая содержит систему электропитания, как описано выше и в последующем.

Согласно варианту осуществления изобретения, электродуговая печь дополнительно содержит резервуар для приема металлического материала и/или питающие электроды для плавления металлического материала, когда снабжаются током от системы электропитания. Питающие электроды также могут иметь механический механизм, который приспосабливается для регулирования расстояния электродов до металлического материала.

Электродуговая печь также может содержать контроллер для системы электропитания, приспособленный для выполнения способа, как описано выше и ниже. Контроллер системы электропитания может также управлять механическим механизмом для перемещения электродов для регулирования импеданса системы, содержащей электроды и металлический материал. Предполагаются меньшее использование переключателя ответвлений и/или меньшие перемещения электродов. Переключатели ответвлений могут даже быть устранены.

Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены со ссылкой на описанные далее варианты осуществления.

Краткое описание чертежей

Предмет изучения изобретения будет объяснен более подробно в последующем тексте со ссылкой на примерные варианты осуществления, которые иллюстрируются на прилагаемых чертежах.

Фиг. 1 показывает принципиальную электрическую схему дуговой печи согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг. 2 показывает принципиальную электрическую схему дуговой печи согласно дополнительному варианту осуществления изобретения.

Фиг. 3 показывает принципиальную электрическую схему для схемы преобразователя для дуговой печи на фиг. 1 и 2.

Фиг. 4 показывает принципиальную электрическую схему для дополнительной схемы преобразователя для дуговой печи на фиг. 1 и 2.

Фиг. 5 показывает принципиальную электрическую схему последовательно соединенных элементов преобразователя для дуговой печи на фиг. 1 и 2.

Фиг. 6 показывает принципиальную электрическую схему трансформатора со схемой преобразователя для дуговой печи на фиг. 1 и 2.

Фиг. 7 показывает принципиальную электрическую схему компенсирующего преобразователя для дуговой печи на фиг. 1 и 2.

Фиг. 8 показывает принципиальную электрическую схему активного индуктивного реактора для дуговой печи на фиг. 1 и 2.

Фиг. 9 показывает блок-схему последовательности операций способа управления дуговой печью на фиг. 1 и 2.

Ссылочные символы, используемые на чертежах, и их значения, перечисляются в краткой форме в списке ссылочных символов. В принципе, идентичные части снабжаются одинаковыми ссылочными символами на чертежах.

Подробное описание примерных вариантов осуществления

Фиг. 1 и 2 показывают дуговую печь 10 с системой 12 электропитания, которая снабжает электроды 14 дуговой печи 10 электрической мощностью. Электроды 14 могут быть предусмотрены в резервуаре 16, который является приспособленным для размещения металлического материала. Когда электроды 14 снабжаются током, формируется электрическая дуга, и металлический материал плавится. Электроды могут перемещаться в резервуаре с помощью механических актуаторов 18. Таким образом, длина дуги может регулироваться.

Система 12 электропитания соединяется с помощью AC-входа 20 с электрической сетью 22 и питает с помощью AC-выхода 24 электроды 14. AC-вход 20 и AC-выход 24 гальванически разделяются трансформатором 26, при этом первичная обмотка 26a трансформатора соединяется с AC-входом 20, а вторичная обмотка 26b трансформатора 26 соединяется с AC-выходом 24. Трансформатор 26 преобразует среднее AC-напряжение из электрической сети 22 в низкое AC-напряжение на AC-выходе 24. Оба напряжения могут иметь частоту 50 Гц или 60 Гц.

Как показано на фиг. 1 и 2, система 12 электропитания может быть трехфазной системой. Напряжение на AC-входе может иметь три компонента, и система 12 электропитания может иметь три фазы 28a, 28b, 28c на первичной обмотке 26a со средним напряжением трансформатора 26. Как показано, система 12 электропитания может также иметь три фазы 30a, 30b, 30c на вторичной обмотке 26b с низким напряжением трансформатора 26. Однако, также является возможным, что различное количество фаз присутствует как на первичной обмотке 26a, так и на вторичной обмотке 26b. Также является возможным, что количества фаз различаются на обеих обмотках 26a, 26b, например, когда трансформатор 26 проектируется с более чем тремя обмотками на вторичной стороне 26b.

Может быть, что активный индуктивный реактор 32 и/или компенсирующий преобразователь 34 взаимосвязываются и/или соединяются с AC-входом 20, который используется для управления пульсацией, которая формируется дуговой печью 10. Активный индуктивный реактор 32 и/или компенсирующий преобразователь 34 могут быть соединены параллельно с AC-входом 20. Компоненты 32, 34 будут описаны более подробно ниже относительно фиг. 7 и 8.

Кроме того, фильтр 36 гармоник может быть взаимосвязан и/или соединен с AC-входом 20. Фильтр 36 гармоник может быть соединен параллельно AC-входу 20. Фильтр 36 гармоник может содержать несколько компонентов 36a, 36b, 36c, 36d фильтра, каждый из которых приспосабливается, чтобы отфильтровывать конкретную гармонику высшего порядка из AC-напряжения на AC-входе 20. Например, компоненты 36a, 36b, 36c, 36d фильтра могут быть приспособлены для фильтрации гармоники 5-го, 7-го, 11-го и 13-го высшего порядка. Каждый из компонентов 36a, 36b, 36c, 36d фильтра может быть LC-фильтром и может содержать конденсатор 38 и индукционную катушку 40, которые могут быть соединены последовательно. В настоящем случае системы с тремя фазами 28a, 28b, 28c каждый из компонентов 36a, 36b, 36c, 36d фильтра может содержать для каждой фазы конденсатор 38 и индукционную катушку 40, которые соединены звездой.

Также может быть, что присутствует линейный фильтр 42, который соединяется последовательно с AC-входом 20, причем этот линейный фильтр 42 может содержать индукционную катушку 44, которая последовательно соединяется с каждой фазой 28a, 28b, 28c.

Как показано на фиг. 1, система 12 электропитания, кроме того, может содержать схему 46a, 46b, 46c преобразователя, которая последовательно соединена с каждой фазой 28a, 28b, 28c первичной обмотки. Как показано на фиг. 2, альтернативно или дополнительно, схема 46a, 46b, 46c преобразователя может быть последовательно соединена с каждой фазой 30a, 30b, 30c вторичной обмотки. Схемы 46a, 46b, 46c преобразователя используются для ограничения тока, повышения тока и/или регулирования мощности и будут описаны более подробно относительно фиг. 3-5.

Может быть возможным, что пассивный фильтр/реактор 48 подключается между схемами 46a, 46b, 46c и трансформатором 26, и/или что пассивный фильтр/реактор 50 подключается между трансформатором 26 и AC-выходом 24. Такой пассивный фильтр/реактор 48 (или 50) может содержать три соединенных звездой индукционных катушки 52, каждая из которых соединяется с фазой 28a, 28b, 28c (или 30a, 30b, 30c) первичной обмотки (или вторичной обмотки) системы 12 электропитания.

Фиг. 1 и 2 также показывают контроллер 54 для управления дуговой печью и системой 12 электропитания. Контроллер 54 может принимать измеренные значения напряжений и/или токов в системе 12 электропитания, такие как напряжение на AC-входе, ток на AC-входе, промежуточное напряжение и промежуточный ток между схемами 46a, 46b, 46c преобразователя и трансформатором, напряжение на AC-выходе и ток на AC-выходе. Все эти величины могут быть многофазными величинами.

На основе этих измеренных значений и номинальных величин, таких как номинальный ток электрода, номинальная мощность, подаваемая к электродам 14, максимальная пульсация и т.д., контроллер может управлять перемещением электродов 14, т.е., механическими актуаторами 18, активным индуктивным реактором 32, компенсирующим преобразователем 34 и схемами 46a, 46b, 46c преобразователя. Это будет также описано более подробно ниже.

Фиг. 3 показывает одну из схем 46a, 46b, 46c преобразователя, которые могут быть одинаково спроектированы. Схема 46a, 46b, 46c преобразователя содержит вход 56 схемы и выход 58 схемы, с помощью которых она соединяются с соответствующей фазой 28a, 28b, 28c, 30a, 30b, 30c.

Схема 46a, 46b, 46c преобразователя может содержать обходной переключатель 60, элемент 64 преобразователя и опциональную индукционную катушку 66, соединенную параллельно с элементом 64 преобразователя. Обходной переключатель 60 и элемент 64 преобразователя параллельно соединяются между входом 56 и выходом 58. Следует отметить, что обходной переключатель 60 является опциональным, и что схема преобразователя может содержать лишь элемент 64 преобразователя опционально вместе с индукционной катушкой 66. Переключатели элементов преобразователя могут реализовывать функциональность обхода и/или состояние обхода для элемента 64 преобразователя.

В общем, обходной переключатель 60 может быть управляемым, двухсторонним переключателем. Контроллер 54 может управлять обходным переключателем 60 для размыкания (проведения тока) или замыкания (изолирования).

Фиг. 3 показывает механический обходной переключатель. На фиг. 4 обходной переключатель состоит из полупроводниковых переключателей 68. Обходной переключатель 68 может состоять из двух встречно-параллельных тиристоров 68. Кроме того, показано, что индукционная катушка 62 может быть последовательно соединена с обходным переключателем 60. Индукционная катушка 62 может иметь индуктивность, по меньшей мере, в 10 раз меньше по сравнению с индукционной катушкой 66.

Фиг. 5 показывает последовательно соединенные элементы 64 преобразователя, которые могут быть последовательно соединены между входом 56 и выходом 58 схемы 46a, 46b, 46c преобразователя. Также, последовательное соединение элементов 64 преобразователя может быть последовательно соединено с индукционной катушкой 66. Элементы 64 преобразователя также могут иметь тип трехуровневого полного моста и/или могут содержать трехуровневые полные мосты. Кроме того, последовательное соединение может быть соединено параллельно с обходным переключателем 60 и/или индукционной катушкой 62, как показано на фиг. 3 и 4.

Каждый элемент 64 преобразователя может содержать полный мост 100, который состоит из двух параллельных полумостов 102. Каждый полумост 102 содержит два последовательно соединенных полупроводниковых переключателя 104, такие как IGBT и/или IGCT, например, с встречно-параллельным диодом. Средняя точка 106 предусматривается между полупроводниковыми переключателями 104 каждого полумоста 102. Средние точки 106 элемента 64 преобразователя соединяются с токовой цепью между входом 56 и выходом 58. Конденсатор 108 элемента преобразователя соединяется параллельно полумостам 102. Посредством управления контроллера 54 полупроводниковые переключатели 104 могут быть переключены, чтобы отсоединять конденсатор 108 от средних точек 106 и соединять конденсатор в двух направлениях с этими средними точками 106. Дополнительно, полупроводниковые переключатели 104 могут переключаться, чтобы выбирать два избыточных нулевых состояния, которые обходят конденсатор 108. Эти нулевые состояния могут рассматриваться как состояние обхода элемента 64 преобразователя.

Следует отметить, что элемент 64 преобразователя на фиг. 3 и 4 может быть спроектирован аналогично одному из элементов 64 преобразователя на фиг. 5.

Фиг. 6 показывает дополнительные варианты осуществления того, как схемы 46a, 46b, 46c преобразователя могут быть соединены с источником 12 питания. Фиг. 6 показывает первичную обмотку 26a или альтернативно вторичную обмотку 26b трансформатора 26. Первичная обмотка 26a или вторичная обмотка 26b трансформатора 26 содержит три обмотки 110, которые соединяются звездой через нейтральную точку 112 звезды. На фиг. 6 каждая обмотка 110 соединяется через схему 46a, 46b, 46c преобразователя с нейтральной точкой 112 звезды. Схемы 46a, 46b, 46c преобразователя на фиг. 6 могут быть спроектированы аналогично схемам преобразователя на фиг. 3-5. Фиг. 7 показывает активный индуктивный реактор 32 и/или компенсирующий преобразователь 34 более подробно. В случае активного индуктивного реактора 32 каждая ветвь 70 может быть такой, как показано на фиг. 5. Ветви 70 могут быть соединены звездой на одном конце и соединены с одной из фаз 28a, 28b, 28c другим концом.

В случае компенсирующего преобразователя 34, каждая ветвь 70 может быть преобразователем (таким как активный управляемый мостовой преобразователь) с внутренним хранилищем энергии, например, в форме конденсатора. Ветви 70 могут формировать статический регулируемый компенсатор, который может управляться посредством контроллера 54.

Фиг. 8 показывает фазу активного индуктивного реактора 32. Активный индуктивный реактор 32 содержит вход 72 и выход 74. Обходной переключатель 76 и индукционная катушка 78 последовательно соединяются между входом 72 и выходом 74. Обходной переключатель 76 является управляемым, двухсторонним переключателем, который состоит из двух встречно-параллельных тиристоров 82.

Фиг. 9 показывает блок-схему последовательности операций способа, который может выполняться автоматически контроллером 54.

На этапе S10, во время запуска системы 12 электропитания, элементы 64 преобразователя схем 46a, 46b, 46c преобразователя обходятся посредством замыкания обходного переключателя 60. Система 12 электропитания соединяется своим AC-входом 20 с электрической сетью 22 и снабжается энергией. После подачи энергии на трансформатор 26, которая, например, может быть измерена посредством измерения токов и/или напряжений на стороне AC-входа системы 12 электропитания, обходной переключатель 60 может быть разомкнут, и/или элементы 64 преобразователя могут управляться для регулирования тока электрода.

На этапе S12 контроллер 54 измеряет один или более токов и/или одно или более напряжений в системе 12 электропитания. Эти напряжения или токи могут быть напряжением на AC-входе, током на AC-входе, промежуточным напряжением и/или промежуточным током между схемами 46a, 46b, 46c преобразователя и трансформатором 26, напряжением на AC-выходе и/или током на AC-выходе.

Из измеренных величин может быть определен ток электрода, подаваемый к электродам 14. Например, ток электрода может быть непосредственно измерен как ток на AC-выходе или может быть оценен из других измеренных величин.

Элементы 64 преобразователя схем 46a, 46b, 46c преобразователя управляются, так что ток электрода регулируется до номинального тока. Номинальный ток может быть предоставлен посредством внешнего контура управления или может быть определен самим контроллером 54, например, в зависимости от рабочего состояния и/или мощности, которая должна быть подана к электродам 14.

На этапе S14 перенапряжение и/или выброс тока в схеме 46a, 46b, 46c преобразователя обнаруживается контроллером на основе измеренных величин. В случае, таком, когда обнаруживается пробой, контроллер 54 защищает схему 46a, 46b, 46c преобразователя с помощью обходного переключателя 60, размыкая и/или замыкая обходной переключатель 60.

На этапе S16 контроллер 54 также определяет значение пульсации из измеренных величин, например, из напряжения на AC-входе. Активный индуктивный реактор 32 и/или компенсирующий преобразователь 34 затем могут управляться посредством контроллера 54, чтобы минимизировать значение пульсации.

Также может быть, что дополнительной целью управления схемами 46a, 46b, 46c преобразователя является минимизация пульсации, и схема 46a, 46b, 46c преобразователя и их элементы 64 преобразователя могут управляться соответственно. В этом случае, управление пульсацией может выполняться только с помощью схем 46a, 46b, 46c преобразователя.

В то время как изобретение было иллюстрировано и описано подробно на чертежах и в предшествующем описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации в раскрытых вариантах осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники, применяющими на практике заявленное изобретение, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а указание единственного числа не исключает множества. Один процессор или контроллер или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Простой факт того, что определенные меры упомянуты в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает того, чтобы комбинация этих мер не может быть использована с выгодой. Любые ссылочные символы в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие рамки.

Список ссылочных символов

10 дуговая печь

12 система электропитания

14 электрод

16 резервуар

18 механический актуатор

20 AC-вход

22 электрическая сеть

24 AC-выход

26 трансформатор

26a первичная обмотка

26b вторичная обмотка

28a фаза первичной обмотки

28b фаза первичной обмотки

28c фаза первичной обмотки

30a фаза вторичной обмотки

30b фаза вторичной обмотки

30c фаза вторичной обмотки

32 активный индуктивный реактор

34 компенсирующий преобразователь

36 фильтр гармоник

36a компонент фильтра

36b компонент фильтра

36c компонент фильтра

36d компонент фильтра

38 конденсатор фильтра

40 индукционная катушка фильтра

42 линейный фильтр

44 индукционная катушка фильтра

46a схема преобразователя

46b схема преобразователя

46c схема преобразователя

48 пассивный фильтр и/или реактор

50 пассивный фильтр и/или реактор

52 индукционная катушка фильтра

54 контроллер

56 вход схемы

58 выход схемы

60 обходной переключатель

62 индукционная катушка

64 элемент преобразователя

66 индукционная катушка

68 тиристор

70 ветвь

72 вход

74 выход

76 обходной переключатель

78 индукционная катушка

82 тиристор

100 полный мост

102 полумост

104 полупроводниковый переключатель

106 средняя точка

108 конденсатор элемента

110 обмотка трансформатора

112 нейтральная точка звезды

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системе электропитания для электродуговой печи, способу управления системой электропитания, а также к дуговой печи с такой системой электропитания. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности дуговой печи. Система (12) электропитания для электродуговой печи (10) содержит AC-вход (20), соединяемый с электрической сетью (22), и AC-выход (24) для питания по меньшей мере одного токового электрода (14) дуговой печи (10). Система (12) электропитания дополнительно содержит схему (46a, 46b, 46c) преобразователя, соединенную между AC-входом (20) и AC-выходом (24). Схема (46a, 46b, 46c) преобразователя содержит по меньшей мере один элемент (64) преобразователя с конденсатором (108) и полупроводниковыми переключателями (104) для последовательного соединения конденсатора между входом (56) схемы и выходом (58) схемы в схеме (46a, 46b, 46c) преобразователя. 3 н. 12 з.п. ф-ы, 9 ил.

1. Система (12) электропитания для электродуговой печи (10), причем система (12) электропитания содержит:

AC-вход (20), соединяемый с электрической сетью (22), и AC-выход (24) для питания по меньшей мере одного токового электрода (14) дуговой печи (10), при этом AC-вход (20) имеет по меньшей мере две фазы (28a, 28b, 28c) и AC-выход (24) имеет по меньшей мере две фазы (30a, 30b, 30c);

схемы (46a, 46b, 46c) преобразователя, соединенные между AC-входом (20) и AC-выходом (24), при этом схема (46a, 46b, 46c) преобразователя соединена в каждой фазе (28a, 28b, 28c) AC-входа (20) или в каждой фазе (30a, 30b, 30c) AC-выхода (24);

трансформатор (26), соединенный между AC-входом (20) и AC-выходом (24);

при этом каждая схема (46a, 46b, 46c) преобразователя содержит по меньшей мере один элемент (64) преобразователя с конденсатором (108) и полупроводниковыми переключателями (104) для последовательного соединения конденсатора между входом (56) схемы и выходом (58) схемы в схеме (46a, 46b, 46c) преобразователя;

при этом система электропитания выполнена с возможностью переключения каждой схемы (46a, 46b, 46c) преобразователя в состояние обхода во время запуска системы (12) электропитания посредством замыкания обходного переключателя, который соединен параллельно по меньшей мере с одним элементом (64) преобразователя схемы преобразователя и который выполнен с возможностью соединения и разъединения входа (56) схемы и выхода (58) схемы;

при этом система электропитания выполнена с возможностью управления элементом (64) преобразователя для регулирования тока электрода и размыкания обходного переключателя после подачи энергии на трансформатор (26).

2. Система электропитания по п. 1,

при этом полупроводниковые переключатели (104) элемента (64) преобразователя формируют два параллельно соединенных полумоста (102), средние точки (106) которых соединены между входом (56) схемы и выходом (58) схемы;

при этом конденсатор (108) соединен параллельно с полумостами (102).

3. Система электропитания по п. 1 или 2,

при этом каждая схема (46a, 46b, 46c) преобразователя содержит множество элементов (64) преобразователя, соединенных последовательно между входом (56) схемы и выходом (58) схемы.

4. Система (12) электропитания по одному из предшествующих пунктов,

при этом обходной переключатель состоит из полупроводниковых переключателей (68).

5. Система (12) электропитания по одному из предшествующих пунктов,

при этом обходная функциональность реализована посредством полупроводниковых переключателей элемента (64) преобразователя.

6. Система (12) электропитания по одному из пп. 1-3,

при этом обходной переключатель (60) является механическим переключателем.

7. Система (12) электропитания по одному из предшествующих пунктов,

при этом индукционная катушка (66) соединена последовательно по меньшей мере с одним элементом (64) преобразователя.

8. Система (12) электропитания по одному из предшествующих пунктов,

при этом дополнительная индукционная катушка (62) соединена последовательно с обходным переключателем между входом (56) схемы и выходом (58) схемы.

9. Система (12) электропитания по одному из предшествующих пунктов,

при этом трансформатор (26) соединен между AC-входом (20) и схемой (46a, 46b, 46c) преобразователя; или

при этом трансформатор (26) соединен между схемой (46a, 46b, 46c) преобразователя и AC-выходом (24); или

при этом трансформатор (26) содержит обмотки (110), соединенные с нейтральной точкой (112) звезды на первичной стороне и/или вторичной стороне, при этом схема (46a, 46b, 46c) преобразователя соединена в нейтральной точке (112) звезды.

10. Система (12) электропитания по одному из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая:

фильтр (36) гармоник, соединенный с AC-входом (20);

при этом фильтр (36) гармоник содержит по меньшей мере два компонента (36a, 36b, 36c, 36d) фильтра, каждый из которых содержит конденсатор (38) фильтра и индукционную катушку (40) фильтра и каждый из которых приспособлен для другой гармоники высшего порядка напряжения на AC-входе.

11. Система (12) электропитания по одному из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая:

активный индуктивный реактор (32), соединенный с AC-входом (20), при этом активный индуктивный реактор (32) содержит обходной переключатель (76) и индукционную катушку (78), соединенную с AC-входом (20); и/или

компенсирующий преобразователь (34), соединенный с AC-входом (20);

при этом активный индуктивный реактор (32) и/или компенсирующий преобразователь (34) управляются, чтобы минимизировать пульсацию на AC-входе (20).

12. Способ управления системой (12) электропитания по одному из предыдущих пунктов, причем способ содержит этапы, на которых:

определяют ток электрода, подаваемый по меньшей мере к одному электроду (14);

управляют по меньшей мере одним элементом (64) преобразователя, так что ток электрода регулируется до определенного тока;

во время запуска системы (12) электропитания обходят элемент (64) преобразователя, замыкая обходной переключатель;

после снабжения энергией трансформатора (26), соединенного между AC-входом (20) и AC-выходом (24), управляют элементом (64) преобразователя для регулирования тока электрода и размыкают обходной переключатель;

при этом схема (46a, 46b, 46c) преобразователя переключается в состояние обхода по меньшей мере посредством одного из переключения элемента (64) преобразователя в состояние обхода и замыкания обходного переключателя.

13. Способ по п. 12, дополнительно содержащий этапы, на которых:

определяют пульсацию на AC-входе (20) системы (12) электропитания;

управляют элементом (64) преобразователя, так что пульсация уменьшается.

14. Способ по одному из пп. 12-13, дополнительно содержащий этапы, на которых:

обнаруживают перенапряжение и/или выброс тока в схеме (46a, 46b, 46c) преобразователя;

защищают схему (46a, 46b, 46c) преобразователя, когда обнаруживается перенапряжение и/или выброс тока, переключая схему (46a, 46b, 46c) преобразователя в состояние обхода.

15. Электродуговая печь (10), содержащая:

систему (12) электропитания по одному из пп. 1-11;

контроллер (54), выполненный с возможностью выполнения способа по одному из пп. 12-14;

резервуар (16) для приема металлического материала;

токовые электроды (14) для плавления металлического материала, когда снабжаются током из системы (12) электропитания.