СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ СОВМЕЩЕННОГО УПРАВЛЯЕМОГО РЕАКТОР-ТРАНСФОРМАТОРА
POWER CONTROL METHOD OF ALTERNATING-CURRENT ELECTRIC ARC FURNACE USING CONTROLLED COMBINED REACTOR TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрометаллургии и к способам регулирования мощности в трехэлектродных дуговых печах переменного тока, и направлено на увеличение их производительности, уменьшение удельного расхода электроэнергии, снижение негативного влияния на питающую сеть и повышение надежности функционирования регулирующего устройства.
Известен способ регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи, заключающийся в управлении величиной тока дуги каждого электрода и регулировании реактивного сопротивления короткой сети с помощью батарей статических конденсаторов (БК), подключаемых параллельно фазе с наибольшим реактивным сопротивлением [Пат. 2275759 Российская Федерация, МПК Н05В 7/148 (2006.01), заявл. 01.09.2004].
Присоединение БК на вторичное напряжение печного трансформатора требует выполнения условия синусоидальности тока дуговой трехэлектродной печи [2]. Это вызывает затруднения при использовании указанного способа на практике, т.к. ток печи имеет несинусоидальный характер, обусловленный условиями горения дуги и влиянием случайных факторов на ее сопротивление.
При функционировании дуговые печи генерируют электромагнитные помехи. Колебания напряжения обусловлены колебаниями токов дуг. Несимметрия токов и напряжений возникает при неравномерном распределении нагрузки по фазам или в случае аварийной ситуации. Перенапряжения на стороне высшего напряжения печного трансформатора вызваны коммутациями электропечных трансформаторов вакуумными выключателями, а провалы напряжения - короткими замыканиями электродов на шихту. Наличие несинусоидальности формы кривой напряжения, высших гармоник токов и напряжений объясняется специфичностью нагрузки печи. Эти помехи оказывают негативное воздействие на питающую сеть, снижают производительность и увеличивают потребление электроэнергии печи.
Указанный способ имеет некоторые недостатки. Возможны значительные перегрузки батарей статических конденсаторов токами высших гармонических составляющих и тяжелые условия работы при частых коммутациях емкостей. Это вызывает их преждевременный выход из строя. Снижение реактивного сопротивления короткой сети путем включения БК может уменьшить устойчивость горения дуги. Это приводит к возрастанию колебаний токов и напряжений. Рассматриваемый способ не позволяет минимизировать глубину провала напряжения, возникающего на стороне высшего напряжения печного трансформатора, при эксплуатационном коротком замыкании электродов на шихту.
При функционировании печного агрегата наблюдается динамическое изменение реактивных сопротивлений короткой сети. Это приводит к появлению несимметричного режима работы, который вызывает смещение нейтральной точки нагрузки относительно нейтральной точки трансформатора. При этом производительность печи снижается по сравнению с симметричным режимом функционирования [3]. Наиболее резкие колебания реактивного сопротивления короткой сети возникают в период расплавления. Они обусловлены особенностями протекания технологического процесса. Для первого периода характерно неустойчивое горение и обрывы дуг, а также короткие замыкания электродов на шихту. Основное воздействие оказывают значительные перемещения электродов и изменение пути тока в рабочем пространстве печи. В результате этого изменяется и внутрипечное сопротивление, величина которого в большей степени определяется реактивным сопротивлением. Оно может достигать величины 97,7% от величины полного сопротивления. На исследованной печи ДСП-100 значение импеданса колеблется в диапазоне от 4 до 16 мОм. Вследствие несимметрии электрических параметров короткой сети одна фаза, называемая «дикой», имеет наименьшее реактивное сопротивление, наибольший ток и излучение. За счет этого электрод этой фазы быстрее расплавляет твердую шихту, завалку и погружается сильнее. Расположение электродов и гибких кабелей короткой сети изменяется относительно друг друга, и наблюдается усиление несимметрии электрических параметров короткой сети. Согласно [4] перекос мощности по фазам рассчитывается по выражениям
iперек
где Р - перекос мощности i-ой фазы электропечи, Вт;
I - заданный ток в электродах, А;
i
X - реактивное сопротивление низковольтной цепи i-ой фазы печного контура, Ом.
В случае равенства электрических параметров фаз печной установки перекос мощности отсутствует. Перенос мощности с одной фазы на другую производится за счет электромагнитной индукции, а его суммарное значение в электрической цепи дуговой печи равняется нулю. В общем случае асимметрии в обмене энергии участвуют все три фазы, а условия функционирования каждой из них различны [4].
По мере заглубления электрода все большая часть излучения дуги экранируется шихтой. Излучение дуги «дикой» фазы не представляет серьезной опасности для футеровки стен и свода печи и практически полностью расходуется на расплавление шихты. Оно не компенсирует уменьшение излучения других фаз. Это объясняет снижение производительности печи при несимметричном режиме. В период восстановления изменение реактивного сопротивления короткой сети менее значительно, а излучение дуги не экранируется шихтой. По сравнению с периодом расплавления футеровка стен и свода поглощает большее количество энергии, излучаемой дугами. Ее часть, расположенная вблизи «дикой» фазы, разрушается быстрее. Это вызывает простои печи, необходимые для проведения ремонтных работ. Снижается производительность агрегата. Поэтому с точки зрения минимизации негативного воздействия излучения дуги «дикой» фазы выравнивание электрических параметров разных фаз короткой сети в период восстановления имеет важнейшее значение. Вышесказанное подтверждает актуальность снижения перекоса мощностей по фазам и минимизации смещения нейтральной точки нагрузки относительно нейтральной точки печного трансформатора во всех режимах функционирования электропечи.
Задачей заявляемого изобретения является увеличение производительности и снижение удельного расхода электроэнергии дуговой электропечи, минимизация негативного влияния на питающую сеть и повышение надежности функционирования регулирующего устройства.
Регулирование питающего напряжения электропечной установки производится с помощью трансформаторного агрегата. В большинстве случаев по косвенной схеме регулирования, состоящей из двух электромагнитных единиц. В качестве первой используется регулировочный автотрансформатор, а в качестве второй - понижающий трансформатор [5].
Для регулирования мощности электропечи предлагается производить регулирование тока дуги каждого из электродов и выравнивание электрических параметров короткой сети по фазам за счет изменения реактивного сопротивления короткой сети посредством включения в схему косвенного регулирования напряжения в качестве второй электромагнитной единицы совмещенного управляемого реактор-трансформатора и увеличения индуктивного сопротивления его вторичных обмоток, соответствующих фазам с наименьшим реактивным сопротивлением короткой сети. Регулирование мощности дуговой трехэлектродной электропечи переменного тока осуществляется во всех режимах ее функционирования. СУРТ имеет некоторые конструктивные отличия от силового трансформатора и может функционировать в трансформаторном, реакторном и реакторно-трансформаторном совмещенном режиме [6]. В данном способе он используется в реакторно-трансформаторном режиме.
PTA
PTC
PTB
KCn
B
Д
В случае уменьшения реактивного сопротивления и возрастания тока «дикой» фазы для выравнивания мощностей по фазам увеличивают индуктивное сопротивление соответствующей этой фазе вторичной обмотки СУРТ. Пример включения СУРТ в схему косвенного регулирования напряжения электропечи (ЭП) с регулировочным автотрансформатором приведен на фигуре 1. Электрическая схема замещения вторичной цепи печного трансформатора дуговой электропечи с конфигурацией короткой сети «несимметричный треугольник на электродах» при этом примет вид, изображенный на фигуре 2. На фигуре 2 приняты следующие обозначения: jX, jX, jX - реактивные сопротивления вторичных обмоток СУРТ; jωL - реактивное сопротивление n-ого кабеля короткой сети; jωL - реактивное сопротивление ванны печи с учетом сопротивления электрода; Z - нелинейное сопротивление электрической дуги. При увеличении реактивного сопротивления одной фазы и уменьшении его значения в двух других сказах для выравнивания мощностей по фазам увеличивают индуктивное сопротивление вторичных обмоток СУРТ, соответствующих фазам с наименьшим реактивным сопротивлением короткой сети.
Предлагаемый способ применим для электропечей, регулирование напряжения которых осуществляется по косвенным схемам регулирования, а короткая сеть имеет одну из следующих конфигураций: «несимметричный треугольник на электродах», «треугольник на электродах», «треугольник на электродах с дополнительной стойкой фазы», «треугольник на подвижных башмаках».
Использование способа регулирования мощности дуговой электропечи переменного тока с применением СУРТ позволяет свести к минимуму перекос мощности по фазам и смещение нейтральной точки нагрузки относительно нейтральной точки печного трансформатора. Уменьшается излучение дуги «дикой» фазы и перегрев футеровки стен и свода печи вблизи него в течение периода восстановления. Повышается устойчивость горения дуги, и снижаются колебания токов и напряжений. При возникновении эксплуатационного короткого замыкания электродов на шихту повышение реактивного сопротивления рабочих обмоток СУРТ способствует минимизации глубины провала напряжения, возникающего на стороне первичного напряжения печного трансформатора. Увеличивается вводимая в печь мощность, уменьшается продолжительность цикла плавки и длительность периодов простоя печи, предназначенных для проведения ремонтных работ по восстановлению футеровки стен и свода вблизи «дикой» фазы.
Техническим результатом является увеличение производительности, снижение удельного расхода электроэнергии печи, повышение надежности функционирования регулирующего устройства и минимизация негативного воздействия на питающую сеть. Преимущество способа заключается в минимизации негативного воздействия на питающую сеть, а также в том, что, по сравнению с БК, совмещенный управляемый реактор-трансформатор менее чувствителен к воздействию высших гармонических составляющих тока электропечи, обладает большим сроком службы и высокой надежностью при эксплуатации.
Источники информации
1. Пат. 2275759 Российская Федерация, МПК H05B 7/148 (2006.01). Способ регулирования мощности по фазам трехэлектродной электропечи переменного тока [Текст] / Шпиганович А.Н., Захаров К.Д., Зацепин Е.П., Бош В.И.; заявитель и патентообладатель Липецкий государственный технический университет. - №2004126602/09; заявл. 01.09.2004. - 5 с.: ил.
2. Минеев, Р.В. Повышение эффективности электроснабжения электропечей [Текст] / Р.В.Минеев, А.П.Михеев, Ю.Л.Рыжнев. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 206 с.
3. Альтгаузен, А.П. Электротермическое оборудование. Справочник [Текст] / А.П.Альтгаузен. - М.: Энергия, 1980. - 416 с.
4. Данцис, Я.Б. Методы электротехнических расчетов рудотермических печей [Текст] / Я.Б.Данцис. - Л.: Энергия, 1973. - 184 с.
5. Аншин, В.Ш. Трансформаторы для промышленных электропечей [Текст] / В.Ш.Аншин, А.Г.Крайз, В.Г.Мейксон. - М.: Энергоиздат, 1982. - 296 с.
6. Забудский, Е.И. Совмещенные регулируемые электромагнитные реакторы [Текст] / Е.И.Забудский. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 436 с.