ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И БЛОК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F27B3/08 H02M5/44 

Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение

Описанные здесь варианты осуществления изобретения относятся к преобразователю или инвертору для преобразования постоянной электрической величины в переменную. В частности, изобретение относится к такому преобразователю высокой мощности, который может быть успешно использован для работы со средними напряжениями.

Описываемые здесь варианты осуществления изобретения относятся также к блоку электропитания, в котором используется один или более указанных преобразователей или инверторов и который пригоден для питания нагрузки, требующей высокой мощности, например, электродуговой печи.

Предпосылки создания предлагаемого изобретения

Известно использование преобразователей для преобразования постоянной электрической величины в переменную электрическую величину, используемую для питания определенной нагрузки, которая может быть более или менее постоянной или изменяющейся.

В зависимости от потребностей и различных применений преобразователи могут использоваться по отдельности или в соединении друг с другом.

Из патента ЕР-В-3124903 на имя настоящего заявителя известен блок электропитания для электродуговой печи, имеющий устройство позиционирования электродов и блок регулирования, содержащий совокупность преобразователей, выборочно управляемых для регулирования напряжения и тока питания электродов.

Таким образом, описанный в EP'903 блок электропитания ведет себя как регулируемый генератор тока и способен подавать электроэнергию для питания электродуговой печи в соответствии со стадией ее работы (перфорирование, плавление, рафинирование). Этим решение EP'903 отличается от традиционных решений, в которых трансформатор ведет себя как генератор напряжения, а ток не регулируется, а ограничивается только параметрами схемы замещения, которые изменяются в зависимости от стадии процесса.

Блок электропитания, описанный в EP'903, позволяет также отдельно регулировать ток и напряжение дуги таким образом, чтобы значительно ограничить колебания тока на первой стадии процесса, то есть на стадии перфорирования, и сделать его практически стабильным на последующих стадиях плавления и рафинирования.

Одним из наиболее очевидных получаемых преимуществ является стабильность регулирования электродов, в отличие от обычных установок, в которых электроды находятся в постоянном движении для поддержания стабильности подаваемого тока, что необходимо для обеспечения устойчивости дуги с неуправляемым током.

Блок электропитания, описанный в EP'903, характеризуется максимальным током, который может быть обеспечен системой управления током.

Затем мощность изменяют путем регулирования в соответствии с подаваемым током, и напряжение дуги, которое, в свою очередь, может изменяться как механически, путем подъема и опускания электрода с помощью устройства позиционирования, так и путем широтно-импульсного регулирования для управления преобразователями.

Стандартные преобразователи или инверторы высокой мощности для средних напряжений обычно содержат батарею соединенных последовательно и/или параллельно конденсаторов для накопления электрической энергии, теплоотвод и совокупность силовых полупроводников, подключенных к конденсаторной батарее и установленных на теплоотводе. Компоненты преобразователя обычно заключены в металлический корпус, снабженный входными и выходными соединителями, подключаемыми, соответственно, к входному контуру, например, к сети электроснабжения, и к выходному контуру, подключенному, например, к нагрузке или пользовательскому устройству, на которое должно быть подано электропитание.

Известны преобразователи, содержащие силовые полупроводники, например модули БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором), которые попеременно открываются и закрываются в зависимости от прохождения положительной или отрицательной полуволны тока.

Конденсаторная батарея и теплоотвод обычно заземлены, а заземлитель встроен в корпус преобразователя, который из соображений безопасности также обычно заземлен.

Каждый модуль БТИЗ управляется платой, которая включает и выключает статические полупроводниковые переключатели, позволяя току течь к нагрузке. Имея определенный профиль импульсов включения и выключения, полупроводниковые переключатели питают нагрузку прямоугольными импульсами различной амплитуды.

Подходящим образом применяя широтно-импульсную модуляцию к схеме омическо-индуктивного типа, можно получить огибающую синусоидального типа. Эта цифровая модуляция по сути позволяет получить переменное среднее напряжение в зависимости от соотношения между длительностью положительного импульса (ВКЛ) и общей длительностью импульса (ВКЛ + ВЫКЛ); это отношение определяется как рабочий цикл.

Модули БТИЗ состоят из соответствующим образом легированных кремниевых чипов, расположенных на теплопроводной, но электроизолирующей подложке, которая, в свою очередь, приварена к основанию из луженой меди. Затем микросхемы помещают в пластиковый корпус, внутри которого они защищены гелем-наполнителем, соединяют с помощью системы проволочных соединений с внешними клеммами, к которым подключают кабели или силовые шины и сигнальные шины, управляющие включением и выключением БТИЗ.

Для рассеивания тепла, выделяемого во время работы, БТИЗ крепятся к теплоотводу соответствующего размера, который может охлаждаться принудительной вентиляцией или водой.

База БТИЗ и теплоотвод имеют две плоские поверхности, обращенные друг к другу, между которыми помещен диэлектрик, в частности, термопаста, служащая для улучшения теплопередачи между этими поверхностями, так что на каждом полупроводнике, присутствующем в модуле, образуется паразитная емкость.

Конструкция описанного выше преобразователя или инвертора способствует образованию паразитных емкостей, которые образуются, в частности, между силовыми полупроводниками и теплоотводом, соединенным с корпусом преобразователя, а также между корпусом, содержащим конденсаторы, и корпусом преобразователя.

Когда переключатели включаются и выключаются для генерирования синусоидальной волны в сторону нагрузки, то есть положительных и отрицательных полуволн, обусловленных прохождением тока в преобразователе, в случае применения в блоке электропитания электродуговой печи они переключают напряжение, например, с 1800 В на 0 В и наоборот с временем переключения порядка сотен наносекунд. Поэтому получается очень большое изменение напряжения в зависимости от времени dv/dt, порядка 5 кВ/мкс, так что из-за паразитных емкостей происходит генерирование тока на землю.

Величину тока, направленного на землю, можно рассчитать по формуле

где ΔV - изменение напряжения (определяемое разницей между 1800 В и 0 В или наоборот);

ΔT - время, в течение которого происходит изменение, равное примерно 250 нс;

C - паразитная емкость, возникающая между базой модулей БТИЗ и теплоотводом.

Например, если паразитная емкость для модуля БТИЗ составляет около 2 нФ, то общая паразитная емкость, например, для четырех модулей БТИЗ составляет около 8 нФ, и эта емкость добавляется к общей емкости конденсаторов, так что для каждого отдельного преобразователя можно получить емкость около 25-30 нФ.

В случае системы электропитания, снабженной совокупностью преобразователей, например 60 модулями, можно получить очень высокую общую емкость порядка 1,5-1,8 мкФ. Переключатели модулей БТИЗ переключаются, чтобы задать синусоидальную волну, поэтому из-за общей емкости может генерируется ток на землю, имеющий пик, значительно превышающий 200-250 А.

Кроме того, поскольку каждое внутреннее соединение с каждым преобразователем, определяемое проводником определенной длины, имеет паразитную индуктивность, при возникновении тока, генерируемого паразитными емкостями, возникают затухающие колебания.

В системах электропитания описанного выше типа пики и осцилляции генерируемого паразитного тока могут привести к случайному срабатыванию различных защит, устранению насыщения или нарушению запрограммированного состояния открытия / закрытия драйверов модулей с последующим риском поломок, ошибке вспомогательных источников питания, перенапряжению, пониженному напряжению, погрешности по переменному току и т. д. Некоторые из этих нарушений не связаны с реальной аварией, а представляют собой просто помехи сигналов, которые интерпретируются системами управления как авариии.

В некоторых случаях, однако, эти помехи таковы, что действительно вызывают неисправность или отказ, например, во вспомогательных источниках питания.

В US 2014/268570A1 раскрыт инвертор, имеющий корпус, узел конденсаторов, узлы рычагов, теплоотводы и опорный узел. Корпуса включает в себя боковые стенки, образующие замкнутое пространство. Узел конденсаторов соединен с корпусом. Каждый узел рычага включает в себя совокупность электрических компонентов и несколько электрических шин. Каждый узел рычага соединен с узлом конденсаторов и электрически связан с ним. Опорный узел имеет непроводящий каркас. Опорный узел сконструирован с возможностью поддерживать каждый теплоотвод отдельно. На каждую электрическую шину и на ограниченное количество электрических компонентов наносится герметик. Таким образом, ограниченное количество электрических компонентов практически изолировано от атмосферы, а компоненты, не покрытые герметиком, могут быть отремонтированы или заменены на месте.

В DE 102017206774A1 раскрыто электрическое устройство управления, содержащее ряд охлаждаемых компонентов и теплоотвод, расположенный внутри корпуса, при этом теплоотвод электрически изолирован от опорного потенциала, а охлаждаемые компоненты соединены с теплоотводом с возможностью проведения тепла.

В JP2016123235A раскрыт преобразователь мощности для уменьшения влияния электромагнитных помех, действующих на схему управления от источника питания постоянного тока, и для предотвращения увеличения размеров инвертора в случае, когда разъем источника питания постоянного тока и схема управления преобразователя мощности и преобразователь мощности расположены подряд в направлении, ортогональном поверхности, на которой размещен преобразователь мощности.

В US6274851 раскрыт контроллер для электродуговой печи, снабженный демпферным средством, содержащим фильтры нижних частот, каждый из которых соединен с выходной фазой, в котором резистивная и емкостная компоненты фиксированы и неизменны.

Следовательно, существует потребность в создании более совершенного преобразователя, способного устранить хотя бы один из недостатков уровня техники.

Одной из целей изобретения является создание преобразователя, позволяющего ограничить, если не исключить полностью, паразитные емкости и, следовательно, паразитный ток, который они генерируют на землю.

Еще одной целью изобретения является создание эффективного и надежного преобразователя, который можно использовать как отдельно, так и в сочетании с другими преобразователями, чтобы ограничивать образование возможных паразитных токов.

Еще одной целью изобретения является создание более совершенного блока электропитания нагрузки, применимого, например, для электродуговой печи, простого в изготовлении и позволяющего предотвращать образование нежелательных токов на землю, которые могут вносить возмущения и вызывать срабатывание сигнализации, делая неэффективными управляющие сигналы, уменьшая их величину.

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 его признаки или варианты основной идеи изобретения.

Согласно вышеуказанным целям предусмотрен преобразователь или инвертор, способный преобразовывать постоянное напряжение и ток в переменные напряжение и ток питания, подаваемые на нагрузку, для использования в нагрузках среднего напряжения, требующих большой мощности.

Предлагаемый преобразователь может быть использован в группе преобразователей по существу одного и того же типа в блоках электропитания для подачи напряжения и тока, подходящих для питания нагрузки, требующей большой мощности, такой как, например, электроды электродуговой печи.

В некоторых вариантах осуществления изобретения преобразователь содержит батарею конденсаторов, подключенных во время работы к схеме электропитания и пригодных для накопления электрической энергии, и совокупность силовых полупроводников, подключенных к этой конденсаторной батарее и выполненных с возможностью выборочно включаться и выключаться для генерирования синусоидальной волны тока на выходе. Преобразователь содержит также теплоотвод, на котором установлены силовые полупроводники и который выполнен с возможностью рассеивать тепло, выделяемое ими при работе.

Преобразователь имеет корпус, т. е. металлическую оболочку, которая заключает в себе конденсаторную батарею, теплоотвод и силовые полупроводники.

Корпус снабжен входными и выходными разъемами, которые во время работы подключаются к цепи электропитания или к сети, а также к питаемой нагрузке.

В некоторых вариантах корпус преобразователя из соображений безопасности заземлен.

В одном аспекте изобретения теплоотвод и/или конденсаторная батарея имеют по отношению к корпусу преобразователя плавающий электрический потенциал, то есть у них не тот же опорный потенциал, что у корпуса преобразователя.

В некоторых вариантах «плавающими» относительно корпуса являются и теплоотвод, и конденсаторная батарея.

В некоторых вариантах теплоотвод и/или конденсаторная батарея электрически изолированы от корпуса и, следовательно, соединенного с последним заземлителя с предотвращением таким образом прохождения постоянных токов между этими двумя компонентами.

В других вариантах теплоотвод и/или конденсаторная батарея соединены с корпусом с помощью компонентов или цепей с высоким импедансом, что значительно ограничивает генерирование паразитного тока на землю.

В некоторых вариантах преобразователь содержит по меньшей мере первый высокоимпедансный компонент, подключенный между теплоотводом и заземлителем корпуса преобразователя.

При таком решении теплоотвод по существу изолирован от корпуса преобразователя и, следовательно, от заземлителя, что значительно ограничивает образование паразитного тока на землю хотя бы в отношении пикового значения.

В некоторых вариантах преобразователь снабжен совокупностью вторых высокоимпедансных компонентов, каждый из которых подключен между вмещающим корпусом конденсатора и заземлителем корпуса преобразователя.

При таком решении, поскольку конденсаторы в основном изолированы и отделены от корпуса преобразователя, возможные паразитные токи, генерируемые на землю, имеют пренебрежимо малое пиковое значение.

Обеспечивая изоляцию как теплоотвода, так и конденсаторов от корпуса преобразователя, благодаря наличию первого и второго высокоимпедансных компонентов можно существенно исключить паразитные емкости, и, следовательно, значительно уменьшить пик тока на землю.

Это преимущество особенно очевидно при использовании группы соединенных друг с другом преобразователей.

В других вариантах преобразователь содержит по меньшей мере один электрический фильтр нижних частот, подключенный между выходным соединителем, подходящим для подключения к питаемой нагрузке, и заземлителем, и предназначенный для устранения возможного генерирования тока на землю за счет распределенных паразитных индуктивностей и емкостей, имеющих частоты выше рабочей частоты.

В некоторых вариантах электрический фильтр нижних частот представляет собой электрический фильтр RC, содержащий резистивную и емкостную компоненты, расположенные последовательно и подключенные между выходным соединением и заземлителем.

В некоторых вариантах резистивная и емкостная компоненты рассчитаны в зависимости от применения преобразователя и характеристик питаемой нагрузки. Эти компоненты также могут быть изменены, чтобы адаптироваться к изменениям в общей электрической системе.

В некоторых вариантах резистивную и емкостную компоненты можно регулировать для изменения соответствующих значений сопротивления и емкости, чтобы увеличивать или уменьшать силу тока, протекающего через них.

В некоторых вариантах фильтр RC содержит рассеивающие средства, обеспечивающие снижение температуры резистивных и/или емкостных компонент.

В некоторых вариантах фильтр RC содержит также средство измерения температуры, например, связанное с одной или несколькими резистивными или емкостными компонентами.

Некоторые описываемые здесь варианты относятся также к блоку электропитания нагрузки большой мощности, в частности, омическо-индуктивного типа.

В состав блока электропитания входят

- трансформатор, подключенный к электросети, являющейся источником переменного сетевого напряжения и переменного сетевого тока, при этом трансформатор выполнен с возможностью преобразовывать переменное сетевое напряжение и переменный сетевой ток в переменное базовое напряжение и переменный базовый ток,

- совокупность выпрямителей, подключенных к трансформатору и выполненных с возможностью преобразовывать переменное базовое напряжение и переменный базовый ток в постоянные напряжение и ток,

- совокупность преобразователей, описанных ранее, подключенных с одной стороны к выпрямителям, а с другой к нагрузке и выполненных с возможностью преобразовывать постоянные напряжение и ток в переменные напряжение и ток питания, подаваемые на нагрузку,

- блок управления, выполненный с возможностью управлять работой преобразователей и регулировать напряжение и ток питания во времени.

В некоторых вариантах предлагаемый блок электропитания нагрузки содержит электрический фильтр нижних частот, подключенный после преобразователей и выполненный с возможностью ослаблять или, возможно, устранять токи, направленные на землю.

В некоторых вариантах электрический фильтр нижних частот содержит электрический фильтр RC, подключенный между выходом преобразователей и заземлителем.

В некоторых вариантах наличие соединенного с землей фильтра RC позволяет ослабить возможные осцилляции из-за паразитных емкостей, создаваемых другими компонентами блока электропитания, которые могут быть соединены с землей, такими как трансформаторы, кабели, трубы и т. д.

В некоторых вариантах имеется один фильтр RC трехфазного типа, подключенный к трем выходным фазам блока электропитания.

В некоторых вариантах, в случае если блок электропитания используется для электродуговой печи, фильтр RC подключен к трем фазам, которые подключены к электродам печи.

Краткое описание прилагаемых графических материалов

Эти и другие аспекты, признаки и преимущества изобретения станут ясны из следующего описания некоторых вариантов, не ограничивающих объем изобретения, со ссылками на прилагаемые графические материалы (чертежи).

На фиг. 1 изображена схема преобразователя согласно некоторым описываемым здесь вариантам осуществления.

На фиг. 1а изображена схема компонента преобразователя, изображенного на фиг. 1, согласно первому варианту осуществления.

На фиг. 1b изображена схема компонента преобразователя, изображенного на фиг. 1, согласно одному из вариантов осуществления.

На фиг. 1с изображена схема другого компонента преобразователя, изображенного на фиг. 1, согласно первому варианту осуществления.

На фиг. 1d изображена схема другого компонента преобразователя, изображенного на фиг. 1, согласно одному из вариантов осуществления.

На фиг. 2 изображена схема устройства для электропитания нагрузки высокой мощности в применении к электродуговой печи.

Для облегчения понимания для обозначения идентичных общих элементов на чертежах, где это возможно, использованы одни и те же ссылочные обозначения. Понятно, что элементы и признаки одного варианта могут быть легко включены в другие варианты без дополнительных пояснений.

Подробное описание предлагаемого изобретения

Далее подробно описываются возможные варианты осуществления изобретения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Каждый пример является только иллюстративным и не ограничивает объем изобретения. Один или более 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 создания еще одного варианта. Понятно, что изобретение включает все такие модификации и варианты.

Варианты, описываемые здесь со ссылками на фиг. 1, относятся к преобразователю 10, пригодному для преобразования постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток.

Преобразователь 10 можно использовать для нагрузок среднего напряжения, требующих большой мощности.

Преобразователь 10 может использоваться как отдельно, так и в группе с другими преобразователями 10.

Некоторые описываемые здесь варианты относятся также к блоку электропитания 20 (см. фиг. 2), выполненому с возможностью подавать переменные ток и напряжение, подходящие для питания нагрузки 21, в частности резистивно-индуктивного типа, которая требует большой мощности.

На фиг. 2 в качестве примера проиллюстрировано применение блока электропитания 20 к нагрузке, соответствующей электродуговой печи 21, но этот блок электропитания 20 можно использовать также для питания нагрузок различных типов, например, ковш-печи или печи с закрытой дугой.

В некоторых вариантах преобразователь 10 содержит конденсаторную батарею 11, которая включает в себя совокупность конденсаторов 12, соединенных последовательно и/или параллельно и выполненных с возможностью накопления электрической энергии.

Преобразователь 10 содержит также силовые полупроводники 13, подключенные к конденсаторной батарее 11 и выполненные с возможностью выборочного включения и выключения, чтобы обеспечить генерирование волны синусоидального тока на выходе.

Преобразователь 10 содержит также рассеивающее устройство 14, на котором установлены силовые полупроводники 13 и которое выполнено с возможностью рассеивать тепло, выделяемое ими в процессе работы.

В некоторых вариантах теплоотвод 14 выполнен с водяным охлаждением, хотя для других применений более пригоден может быть теплоотвод 14 с принудительным воздушным охлаждением.

Возможно решение, когда силовые полупроводники 13 представляют собой устройства, выбранные 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).

Преобразователь 10 имеет также корпус 15, то есть металлическую оболочку, внутри которой заключены конденсаторная батарея 11, теплоотвод 14 и силовые полупроводники 13.

Корпус 15 снабжен входными соединителями 15а и выходными соединителями 15b, подключаемыми, соответственно, к входной цепи, например, к сети электроснабжения, и к выходной цепи, например, к нагрузке L или пользовательскому устройству 21 для подачи питания.

В некоторых вариантах по соображениям безопасности корпус 15 во время работы может быть соединен с заземлителем G. Заземлитель, в зависимости от требований, может быть настоящим защитным заземлителем или функциональным заземлителем. Под функциональным заземлителем понимается заземлитель, который гарантирует функционирование электронных устройств и размер которого зависит от защищаемых устройств, но который не гарантирует безопасности оператору, как предусмотрено правилами.

В одном аспекте изобретения теплоотвод 14 и/или конденсаторная батарея 11 имеет плавающий потенциал по отношению к корпусу 15 и, следовательно, к соединенному с ним заземлителю G.

В других вариантах «плавающими» относительно корпуса 15 и, следовательно, заземлителя G являются и теплоотвод 14, и конденсаторная батарея 11.

Признаки «плавающий» и «плавающий потенциал» означают, что теплоотвод 14 и/или батарея 11 конденсаторов 12 по меньшей мере частично изолированы от корпуса 15, то есть они электрически изолированы от корпуса 15 и, следовательно, от соединенной с ним заземлителя G, или же они соединены с корпусом 15 посредством компонентов или цепей с высоким импедансом, что предотвращает или хотя бы значительно ограничивает генерирование паразитного тока на заземлитель G.

В некоторых вариантах теплоотвод 14 и/или батарея 11 конденсаторов 12 электрически изолированы от корпуса 15, то есть между ними и корпусом 15 не протекает постоянный ток (см. фиг. 1а и фиг. 1с).

Возможны варианты, когда теплоотвод 14 и/или конденсаторная батарея 12 соединены с корпусом 15 посредством высокоимпедансного компонента (см. фиг. 1b и фиг. 1d).

В некоторых вариантах преобразователь 10 содержит по меньшей мере первый высокоимпедансный компонент 16, подключенный между теплоотводом 14 и заземлителем G, с которым соединен корпус 15 (см. фиг. 1d).

В некоторых вариантах первый высокоимпедансный компонент 16 имеет импеданс в пределах от 500 Ом до 1500 Ом.

В других вариантах первый высокоимпедансный компонент 16 имеет импеданс в пределах от 800 Ом до 1200 Ом.

В некоторых вариантах используют конденсаторы 12 пленочного типа, помещенные в корпус 17, изготовленный из металлического материала, например из алюминия.

В некоторых вариантах преобразователь 10 содержит совокупность вторых высокоимпедансных компонентов 18, каждый из которых подключен между вмещающим корпусом 17 конденсатора 12 и заземлителем G, с которым соединен корпус 15 (см. фиг. 1b).

При таком решении конденсаторы 12 по существу изолированы от корпуса 15 преобразователя 10, и, следовательно, генерируемые возможные нежелательные токи на заземлитель G имеют пренебрежимо малое пиковое значение.

В некоторых вариантах каждый из вторых высокоимпедансных компонентов 18 имеет импеданс в пределах от 500 Ом до 1500 Ом.

В других вариантах каждый из вторых высокоимпедансных компонентов 18 имеет импеданс в пределах от 800 Ом до 1200 Ом.

В некоторых вариантах как теплоотвод 14, так и конденсаторы 12 соединены с корпусом 15 и, следовательно, с заземлителем G посредством соответствующих высокоимпедансных компонентов 16, 18.

В других вариантах преобразователь 10 содержит по меньшей мере один электрический фильтр 19, подключенный между выходным соединением преобразователя 10, подсоединяемым во время работы к питаемой нагрузке L, и заземлителем G.

Электрический фильтр 19 представляет собой RC-фильтр, имеющий резистивную компоненту R и емкостную компоненту C, соединенные последовательно, и выполнен с возможностью действовать как фильтр нижних частот, устраняя возможные колебания тока из-за распределенных паразитных индуктивностей и емкостей.

Как можно видеть на фиг. 2, электрическая печь 21 содержит емкость 22 или оболочку, в которую вводят металлический материал М для последующего плавления.

Электрическая печь 21 снабжена также электродами 23, в данном случае тремя электродами 23, предназначенными для зажигания электрической дуги через металлический материал М и его плавления.

В некоторых вариантах электроды 23 установлены на средствах перемещения 24, выполненных с возможностью выборочного перемещения электродов 23 к металлическому материалу М и от него.

Средства перемещения 24 могут быть реализованы как что-то по меньшей мере одно из следующей группы: механический привод, электрический привод, пневматический привод, гидравлический привод, шарнирный механизм, кинематический механизм, аналогичные и сравнимые элементы или их возможную комбинацию.

Возможно решение, когда в случае наличия трех электродов 23, каждый из них подключен к соответствующей фазе L1, L2, L3 блока электропитания 20.

В некоторых вариантах блок электропитания 20 содержит по меньшей мере один трансформатор 25, подключенный к электросети 26, для подачи переменных напряжения и тока сети, при этом трансформатор 25 выполнен с возможностью преобразования переменных напряжения и тока питания в базовые переменные напряжение и ток.

Возможно решение, когда электросеть 26 является трехфазной.

В некоторых вариантах сетевое напряжение Ur и сетевой ток Ir имеют заданную сетевую частоту fr.

Возможны решения, когда величина сетевой частоты fr выбирается между 50 Гц и 60 Гц, то есть, исходя из частоты электросети страны, где установлена печь.

Возможны решения, когда трансформатор 25 содержит первичную обмотку 27, магнитно связанную по меньшей мере с одной его вторичной обмоткой 28.

Возможно решение, когда трансформатор 25 имеет совокупность вторичных обмоток 28, магнитно связанных с первичной обмоткой 27. Это позволяет уменьшить влияние помех со стороны сети, то есть уменьшить содержание гармоник и реактивную мощность, циркулирующую в сети из-за комбинации трансформатора 25 и выпрямителя 29.

Предпочтительно, предусматривают три фазы, подключенные к вторичным обмоткам 28 трансформатора, но количество фаз также может быть меньше или больше. В некоторых вариантах количество фаз может варьироваться от одной до n, где n - это, например, целое число до двадцати или даже больше двадцати.

Базовая электрическая энергия, подаваемая трансформатором 25, характеризуется базовым напряжением Ub, базовым током Ib и базовой частотой fb, которые предварительно определяются и устанавливаются параметрами трансформатора 25. В частности, базовая частота fb по существу равна частоте fr сети.

С другой стороны, базовое напряжение Ub и базовый ток Ib соотносятся соответственно с сетевым напряжением Ur и сетевым током Ir через коэффициент трансформации трансформатора 25.

Например, многовыводный трансформатор 25 может быть снабжен регулирующими устройствами (не показаны), предназначенными для избирательного регулирования коэффициента трансформации трансформатора 25 в соответствии с конкретными требованиями.

Блок электропитания 20 содержит также выпрямители 29, соединенные с трансформатором 25 и выполненные с возможностью преобразовывать переменные базовые напряжение и ток в постоянные напряжение и ток.

В частности, выпрямители 29 выпрямляют переменные базовые напряжение Ub и ток Ib с получением, соответственно, постоянных напряжений и токов.

Выпрямители 29 могут быть выбраны из следующей группы: диодный мост, тиристорный мост.

Возможно решение, когда выпрямители 29 представляют собой 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 другом аспекте изобретения блок электропитания 20 содержит преобразователи 10, подключенные к выпрямителям 29 и выполненные с возможностью преобразовывать постоянные напряжение и ток в переменные напряжение и ток для питания электродов 23.

Преобразователи могут быть реализованы как предлагаемые преобразователи 10, в которых конденсаторы 12 и/или теплоотвод 14 «плавают» относительно заземлителя G корпуса 15 соответствующего преобразователя 10.

Преобразователи 10 подключены к электродам 23 плавильной печи 21 и к блоку управления 31, выполненному с возможностью управлять работой преобразователей 10 и регулировать во времени подачу питания переменным током на электроды 23.

В некоторых вариантах блок электропитания 20 содержит электрический фильтр 30, подключенный между выходом преобразователей 10 и питаемой нагрузкой, в рассматриваемом примере это электроды 23 печи 21, и выполненный с возможностью работать в качестве фильтра нижних частот и фильтровать и гасить или устранять возможные колебания тока утечки при переключении полупроводников 13, генерируемые компонентами паразитной емкости и индуктивности преобразователей 10 или, возможно, других компонентов блока электропитания 20.

В некоторых вариантах электрический фильтр 30 представляет собой резистивно-емкостной фильтр, подключенный в соответствии с выходом преобразователей 10.

В некоторых вариантах электрический фильтр 30 можно использовать в качестве альтернативы возможным электрическим фильтрам 19 отдельных преобразователей 10.

Возможны также решения, в которых предусмотрен электрический фильтр 30, используемый в дополнение к возможным электрическим фильтрам 19, связанным с соответствующими преобразователями 10. В некоторых вариантах электрический фильтр 30 является трехфазным и устанавливается в выходные фазы L1, L2, L3, которые соединены с нагрузкой, то есть с электродами 23.

Комбинация электрического фильтра 30, подключенного на выходе преобразователей 10, и высокоимпедансных компонентов 16, 18, установленных внутри самих преобразователей 10, позволяет как устранить колебания тока, так и ограничить, если не устранить, сам пик тока на землю.

Такое решение позволяет использовать большое число преобразователей (больше 60), без риска выхода из строя устройств управления из-за высоких пиков тока, генерируемых паразитными токами, что делает блок электропитания 20 эффективным и надежным.

В некоторых вариантах резистивная составляющая R и/или емкостная составляющая C электрических фильтров 19, 30 рассчитаны в зависимости от применения преобразователя 10 и характеристик питаемой нагрузки.

В некоторых вариантах резистивная составляющая R и емкостная составляющая С регулируются с помощью блока управления 31 для изменения соответствующих значений сопротивления и емкости таким образом, чтобы увеличивать или уменьшать силу тока, который через них течет.

В некоторых вариантах электрический фильтр 19, 30 содержит рассеивающее средство 36, предназначенное для снижения температуры компонентов RC-фильтра. Например, рассеивающее средство 36 может содержать вентиляторы или другие средства для перемещения воздуха, рассеивающие ребра и т. п.

В некоторых вариантах электрический фильтр 19, 30 содержит также средства измерения температуры, например датчики 37, связанные с одним или несколькими резистивными R и/или емкостными C компонентами.

Например, датчики 37 температуры могут содержать термопары, связанные с одним или несколькими резистивными компонентами R или емкостными компонентами C.

В некоторых вариантах блок управления 31 получает от датчиков 37 измеренные данные и, возможно, управляет включением и выключением вентиляционных устройств 36 в зависимости от полученных данных для поддержания тепловых условий, подходящих для обеспечения эффективного функционирования электрического фильтра 19, 30.

В некоторых вариантах блок управления 31 управляет также преобразователями 10, чтобы выборочно устанавливать параметры переменных напряжения и тока питания, как указано выше.

В одном аспекте изобретения блок управления 31 снабжен устройствами регулирования 32, выполненными с возможностью регулировать частоту fa переменных напряжения и тока питания и одновременно изменять реактивное сопротивление цепи питания электродов.

В частности, подаваемые напряжение и ток имеют напряжение Ua питания и ток Ia питания, которые выборочно регулируются в зависимости от задействованной мощности плавления.

Возможны решения, когда регулирующие устройства 32 содержат, например, гистерезисный модулятор или широтно-импульсныйй модулятор.

Эти типы модуляторов можно использовать для управления полупроводниками выпрямителей 29 и преобразователей 10. Эти модуляторы, управляемые соответствующим образом, генерируют напряжение или ток определенных величин, приложенные к электродам 23. В частности, модулятор обрабатывает такое напряжение и ток и выдает команды для управления по крайней мере выпрямителями 29 и преобразователями 10, так что значения напряжения и тока, необходимые для управления, присутствуют на клеммах для подключения к электродам 23. Напряжения и токи, которые должны быть активированы, являются результатом операций, выполняемых блоком управления 31 на основе величин, считываемых процессом, и на основе модели процесса.

Возможны решения, когда выпрямители 29 подключены к преобразователям 10 посредством по меньшей мере одной промежуточной цепи 33, работающей на постоянном токе.

Промежуточная цепь 33 выполнена с возможностью хранить непосредственно электрическую энергию и создавать разделение между нагрузкой, в данном случае электродами 23, и выпрямителями 29 и, значит, с электросетью 26.

С помощью промежуточной цепи 33 частично фильтруются, в частности, быстрые колебания мощности, возникающие в процессе, в результате чего уменьшается влияние на электросеть 26.

Блок управления 31 может быть выполнен также с возможностью регулировать величину напряжения питания Ua и тока питания Ia, генерируемых преобразователями 10 и подаваемых на электроды 23.

В некоторых вариантах блок управления 31 также, в свою очередь, соединен со средством перемещения 24, чтобы обеспечить возможность регулировать положение электродов 23 на разных стадиях процесса плавления. В частности, электроды 23 перемещаются средством перемещения 24, чтобы отслеживать положение материала и, следовательно, изменять длину дуги.

При таком решении блок управления 31 на конкретных стадиях процесса может управлять по меньшей мере следующими параметрами: напряжение питания Ua, ток питания Ia, частота электропитания fa и положение электродов 23. Широкие возможности управления различными параметрами позволяют оптимизировать передачу энергии в процесс и в то же время уменьшать воздействие на электросеть 26, возникающее из-за быстрых изменений мощности на стороне печи.

Возможны решения, когда трансформатор 25, выпрямители 29, подключенные к трансформатору 25, и преобразователи 10 вместе образуют модуль питания 34.

Возможен вариант, в котором устройство 20 снабжено совокупностью модулей питания 34, подключенных параллельно друг к другу к электросети 26 и к печи 21.

Комбинация нескольких модулей питания 34 позволяет получить блок электропитания 20, размеры которого можно масштабировать в зависимости от конкретного размера питаемой печи 21.

В некоторых вариантах число модулей питания 34 варьируется от 2 до m, где m - целое число, которое может быть десять, двенадцать, двадцать, сорок, шестьдесят или даже больше.

Модули питания 34 могут быть подключены каждый к электроду 23, чтобы снабжать его электрической энергией. Для каждого электрода 23 может быть предусмотрено более одного модуля питания 34.

Следовательно, в зависимости от количества модулей питания 34 блок электропитания 20 может содержать большое количество преобразователей 10: до шестидесяти или даже больше.

Возможно решение, когда блок управления 31 подключен ко всем модулям питания 34 для управления по меньшей мере соответствующими преобразователями 10, так что каждый модуль выдает в нагрузку одинаковые значения напряжения питания Ua, тока питания Ia и частоты электропитания fa. При таком решении можно предотвратить сбои в работе всей системы.

Возможно решение, когда блок электропитания 20 содержит катушку индуктивности 35, обеспечивающую получение желаемого общего реактивного сопротивления устройства.

Катушка индуктивности 35 может быть подключена после преобразователей 10 и имеет такие размеры, чтобы обеспечить желаемое общее эквивалентное реактивное сопротивление. При таком решении можно получать общее реактивное сопротивление, которое определяется вкладом катушки индуктивности 35 и реактивным сопротивлением, вносимым проводниками, соединяющими систему с нагрузкой. В некоторых вариантах катушка индуктивности 35 подключена после электрического фильтра 30 нижних частот.

В целом, индуктивность - это проектный параметр, который нельзя изменить после сборки компонента.

Изменяя частоту (например, относительно 50 Гц сети), можно при той же индуктивности изменить значение реактивного сопротивления компонента цепи, и, таким образом, получить желаемое значение полного эквивалентного реактивного сопротивления.

Регулируя частоту на разных стадиях процесса, можно оптимизировать электрические параметры на каждой стадии. Во-первых, номинал (и, следовательно, стоимость) катушки индуктивности можно ограничить, используя ее с максимальной эффективностью на стадии рафинирования.

С помощью электрической топологии, принятой для преобразователей, можно также защитить электросеть от помех, связанных с процессом плавления (уменьшение фликкер-шума, гармоники, косинус «фи» и т. д.), в то же время гарантируя стабильность дуги на всех стадиях.

Кроме того, возможность изменения частоты питания электродов относительно частоты сети упрощает определение размеров индуктивных компонентов в условиях ограниченного пространства / стоимости, улучшает использование проводников, уменьшая сопротивление и, следовательно, потери в системе.

В случае электродуговой печи, например, при том же полном сопротивлении дуги увеличение частоты увеличивает индуктивное сопротивление и уменьшает эквивалентный коэффициент мощности по отношению к нагрузке, что улучшает стабильность дуги (полезно, когда, например, лом еще не расплавлен, и дуга не очень защищена), не давая ей погаснуть.

Понятно, что в описанных выше преобразователе 10 и блоке электропитания 20 без отклонения от области и объема изобретения могут быть сделаны модификации и/или добавления частей.

Ясно также, что, хотя изобретение описано со ссылками на некоторые конкретные примеры, специалист, безусловно, сможет создать множество других эквивалентных форм преобразователя 10 и блока электропитания 20, имеющих признаки, изложенные в формуле изобретения, и, следовательно, охватываемых определяемым ею объемом охраны.

В прилагаемой формуле изобретения ссылочные обозначения в скобках предназначены только для облегчения чтения: они не должны рассматриваться как ограничивающие объем охраны, заявленный в конкретных пунктах формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в ограничении паразитных емкостей и, следовательно, паразитного тока, который они генерируют на землю. Блок электропитания для мощной омическо-индуктивной нагрузки, соответствующей электрической печи, содержит трансформатор, выпрямители, преобразователи постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток, блок управления. При этом блок управления снабжен регулирующими устройствами, выполненными с возможностью регулировать частоту напряжения питания и тока питания независимо от частоты электросети и регулировать реактивное сопротивление блока электропитания, при этом каждый преобразователь содержит батарею конденсаторов, подключаемых во время работы непосредственно к цепи питания, силовые полупроводники, соединенные с батареей конденсаторов и выполненные с возможностью выборочно включаться и выключаться для генерирования синусоидальной волны тока на выходе, теплоотвод, на котором установлены силовые полупроводники и который выполнен с возможностью рассеивать выделяемое ими тепло, и корпус, в котором заключены по меньшей мере батарея конденсаторов, теплоотвод и силовые полупроводники, причем теплоотвод и/или конденсаторы по меньшей мере частично изолированы относительно корпуса и заземлителя, соединенного с корпусом. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Блок электропитания для мощной омическо-индуктивной нагрузки (21), соответствующей электрической печи, причем упомянутый блок содержит совокупность модулей электропитания (34), подключенных параллельно друг к другу, к электросети (26) и к нагрузке (21), каждый из которых содержит:

- трансформатор (25), подключенный к электросети (26), являющейся источником переменного сетевого напряжения (Ur) и переменного сетевого тока (Ir), причем трансформатор (25) выполнен с возможностью преобразовывать переменное сетевое напряжение (Ur) и переменный сетевой ток (Ir) в переменное базовое напряжение (Ub) и переменный базовый ток (Ib),

- выпрямители (29), подключенные к трансформатору (25) и выполненные с возможностью преобразовывать переменное базовое напряжение (Ub) и переменный базовый ток (Ib) в постоянное напряжение и постоянный ток;

- преобразователи (10), подключенные с одной стороны к выпрямителям (29), а с другой к нагрузке (21) и выполненные с возможностью преобразовывать постоянное напряжение и постоянный ток в переменное напряжение питания (Ua) и переменный ток питания (Ia), подаваемые на нагрузку (21);

- блок управления (31), выполненный с возможностью управлять работой преобразователей (32) и регулировать во времени напряжение питания (Ua) и ток питания (Ia),

отличающийся тем, что блок управления (31) снабжен регулирующими устройствами (32), выполненными с возможностью регулировать частоту (fa) напряжения питания (Ua) и тока питания (Ia) независимо от частоты (fr) электросети (26) и регулировать реактивное сопротивление блока электропитания, при этом каждый преобразователь (10) содержит батарею (11) конденсаторов (12), подключаемых во время работы непосредственно к цепи питания, силовые полупроводники (13), соединенные с батареей (12) конденсаторов и выполненные с возможностью выборочно включаться и выключаться для генерирования синусоидальной волны тока на выходе (15b), теплоотвод (14), на котором установлены силовые полупроводники (13) и который выполнен с возможностью рассеивать выделяемое ими тепло, и корпус (15), в котором заключены по меньшей мере батарея (11) конденсаторов (12), теплоотвод (14) и силовые полупроводники (13), причем теплоотвод (14) и/или конденсаторы (12) по меньшей мере частично изолированы относительно корпуса (15) и заземлителя (G), соединенного с корпусом (15).

2. Блок электропитания по п. 1, отличающийся тем, что он содержит электрический фильтр (30) нижних частот, подключенный между выходом преобразователя (10) и заземлителем (G) и выполненный с возможностью ослаблять или устранять возможные колебания тока, направленного к земле.

3. Блок электропитания по п. 2, отличающийся тем, что электрический фильтр (30) представляет собой трехфазный резистивно-емкостный фильтр и подключен к выходным фазам (L1, L2, L3), которые во время работы подключены к нагрузке (21).

4. Блок электропитания по любому из пп. 2 или 3, отличающийся тем, что электрический фильтр (30) представляет собой резистивно-емкостный фильтр, имеющий резистивную компоненту (R) и емкостную компоненту (С), и содержит рассеивающее средство (36), выполненное с возможностью рассеивать тепловую энергию, генерируемую резистивной (R) и/или емкостной (C) компонентами, понижая их температуру.

5. Блок электропитания по п. 4, отличающийся тем, что электрический фильтр (30) содержит датчики (37) температуры, связанные с одним или более резистивными (R) и/или емкостными (C) компонентами и выполненные с возможностью измерять их температуру.

6. Блок электропитания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что упомянутые регулирующие устройства (32) содержат гистерезисный модулятор или широтно-импульсный модулятор.

7. Блок электропитания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что относительно корпуса (15) «плавает» и теплоотвод (14), и конденсаторы (12).

8. Блок электропитания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что теплоотвод (14) и/или конденсаторы (12) электрически изолированы от корпуса (15).

9. Блок электропитания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере первый высокоимпедансный компонент (16), подключенный между теплоотводом (14) и корпусом (15).

10. Блок электропитания по любому из пп. 1 или 9, отличающийся тем, что конденсаторы (12) являются конденсаторами пленочного типа и имеют вмещающий корпус (17) из металлического материала, а преобразователь содержит совокупность вторых высокоимпедансных компонентов (18), каждый из которых включен между вмещающим корпусом (17) соответствующего конденсатора (12) и заземлителем (G), соединенным с корпусом (15).

11. Блок электропитания по любому из пп. 9 или 10, отличающийся тем, что упомянутый по меньшей мере один первый компонент (16) и/или упомянутые вторые высокоимпедансные компоненты (18) имеют импеданс от 500 Ом до 1500 Ом.

12. Блок электропитания по любому из пп. 9-11, отличающийся тем, что упомянутый по меньшей мере один первый компонент (16) и/или упомянутые вторые компоненты (18) имеют импеданс от 800 Ом до 1200 Ом.

13. Блок электропитания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один электрический фильтр (19) нижних частот, подключенный между выходным соединителем (15b), подходящим для подключения во время работы к питаемой нагрузке (L), и заземлителем (G).

14. Электродуговая печь, имеющая емкость (22) для введения в нее металлического материала (М) для последующего плавления и электроды (23), предназначенные для зажигания электрической дуги через металлический материал (М) для его плавления, отличающаяся тем, что содержит блок электропитания (20) по любому из предыдущих пунктов, подключенный между электросетью (26) и электродами (23).