СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ДУГОВОЙ ТРЕХЭЛЕКТРОДНОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ОДНОФАЗНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ РЕАКТОРОВ
METHOD TO CONTROL CAPACITY OF ARC THREE-ELECTRODE AC ELECTRIC FURNACE WITH APPLICATION OF SINGLE-PHASE CONTROLLED REACTORS

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрометаллургии и к способам регулирования мощности в трехэлектродных дуговых печах переменного тока, и направлено на уменьшение удельного расхода электроэнергии, повышение их производительности, минимизацию негативного воздействия на питающую сеть и повышение надежности функционирования регулирующего устройства.
Известен способ регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи, основанный на управлении величиной тока дуги каждого из электродов и регулировании реактивного сопротивления короткой сети за счет батарей статических конденсаторов (БК), подключаемых параллельно фазе с наибольшей реактивной составляющей сопротивления [Пат. РФ №2275759, МПК Н05В 7/148 (2006.01), заявл. 01.09.2004].
Включение БК на низшее напряжение печного трансформатора предполагает выполнение условия синусоидальности тока дуговой трехэлектродной печи, которое проблематично осуществить на практике [2]. Несинусоидальный характер тока печи обусловлен воздействием случайных факторов, природой горения и специфической характеристикой электрической дуги.
Дуговые электропечи являются источниками электромагнитных помех. Колебания напряжения обусловлены колебаниями токов дуг, несимметрия токов и напряжений - неравномерностью распределения нагрузки по фазам или возникновением аварийной ситуации. Перенапряжения на стороне первичного напряжения печного трансформатора появляются при коммутациях электропечных трансформаторов вакуумными выключателями. Провалы напряжения наблюдаются при коротких замыканиях электродов на шихту. Несинусоидальность формы кривой напряжения, высшие гармоники токов и напряжений вызваны специфичностью нагрузки электропечи. Наличие таких электромагнитных возмущений оказывает негативное воздействие на питающую сеть, снижает производительность и увеличивает потребление электроэнергии печи.
Рассматриваемый способ имеет некоторые недостатки. Это - трудности, возникающие при коммутациях значительных емкостей, а также существенные перегрузки БК токами высших гармонических составляющих, что снижает срок их службы и способствует преждевременному выходу из строя. Уменьшение реактивного сопротивления короткой сети за счет включения БК может снизить устойчивость горения дуги, что вызывает возрастание колебаний токов и напряжений. Указанный способ не позволяет минимизировать глубину провала напряжения, возникающего на стороне высшего напряжения печного трансформатора при эксплуатационном коротком замыкании электродов на шихту.
В течение цикла функционирования печного агрегата возникает динамическое изменение реактивных сопротивлений каждой фазы короткой сети. Это вызывает нарушение симметричного режима работы и появление смещения нейтральной точки нагрузки относительно нейтральной точки трансформатора. Суммарная активная мощность печи не изменяется, однако производительность электропечи меньше, чем при симметричном режиме работы [3]. В период расплавления дуги горят неустойчиво. Наблюдаются частые обрывы дуг и короткие замыкания электродов, возникающие при обвалах шихты. Появляются наиболее резкие колебания реактивного сопротивления короткой сети. Это вызвано значительными перемещениями электродов и изменением пути тока в рабочем пространстве печи. При этом изменяется внутрипечное сопротивление, до 97,7% которого составляет индуктивная составляющая. На исследованной печи ДСП-100 ее значение колеблется в диапазоне от 4 до 16 мОм. На практике встречаются частный и общий случаи несимметрии. Наиболее часто возникает частный случай асимметричного режима, при котором сопротивление одной фазы значительно отличается от сопротивлений других фаз. Вследствие неравенства электрических параметров короткой сети одна из фаз имеет наименьшее реактивное сопротивление, а следовательно, больший ток. Эту фазу принято называть «дикой». Излучение дуги этой фазы значительнее, чем других фаз, имеющих большие реактивные сопротивления. Ее электрод быстрее расплавляет твердую шихту, завалку и заглубляется сильнее. Его положение изменяется относительно электродов других фаз и происходит усиление несимметрии электрических параметров короткой сети. Возникает перекос мощности по фазам, согласно [4] он определяется по выражениям
iперек
где Р - перекос мощности i-й фазы электропечи, Вт;
I - заданный ток в электродах, А;
i
X - реактивное сопротивление i-й фазы печной установки, Ом.
Перенос мощности из одной фазы в другую осуществляется путем электромагнитной индукции. Суммарный перенос мощности в цепи электропечной установки равняется нулю, т.к. энергия может переноситься только с одной фазы на другую. В общем случае асимметрии в обмене энергии участвуют все три фазы. Условия функционирования каждой из них различны [4].
По мере погружения электрода все большая часть излучения дуги экранируется шихтой. В период расплавления стадия закрытых дуг имеет много большую продолжительность по сравнению со стадией открытых дуг. Излучение дуги «дикой» фазы не представляет серьезной опасности для футеровки стен и свода печи. Снижение производительности печи объясняется тем, что увеличенное излучение дуги фазы с наименьшим реактивным сопротивлением не компенсирует уменьшенное излучения дуг других фаз. В период восстановления колебания реактивного сопротивления короткой сети менее значительны, а излучение дуги каждой фазы не экранируется шихтой. Поэтому футеровкой стен и свода поглощается больше энергии, излучаемой дугами, чем в период расплавления. Вблизи увеличенного излучения дуги «дикой» фазы она повреждается быстрее. Это вызывает дополнительные остановки печи для восстановления разрушенной футеровки, что значительно снижает производительность агрегата. Вышесказанное подчеркивает актуальность минимизации смещения нейтральной точки нагрузки относительно нейтральной точки печного трансформатора и перекоса мощностей по фазам во всех режимах функционирования электропечи.
Задачей изобретения является повышение надежности функционирования регулирующего устройства, минимизация негативного воздействия на питающую сеть, увеличение производительности и снижение удельного расхода электроэнергии дуговой электропечи.
Предлагается регулировать мощность дуговой трехэлектродной электропечи переменного тока путем управления величиной тока дуги каждого из электродов и выравнивания электрических параметров короткой сети по фазам. Для выравнивания мощностей по фазам за счет изменения реактивных сопротивлений короткой сети между печным трансформатором и короткой сетью включают однофазные управляемые электрические реакторы трансформаторного типа.
cz
ax
by
KCi
P
B
Д
-
В частном случае асимметрии при снижении реактивного сопротивления и возрастания тока «дикой» фазы для выравнивания мощностей по фазам производят увеличение реактивного сопротивления данной фазы за счет включения однофазного управляемого электрического реактора трансформаторного типа между печным трансформатором и короткой сетью. Схема включения на примере дуговой электропечи с конфигурацией короткой сети «треугольник на неподвижных башмаках» представлена на чертеже. При этом приняты следующие обозначения: jωL, jωL, jωL - реактивные сопротивления обмоток печного трансформатора; JωL реактивное сопротивление i-го токопровода короткой сети; jωL - реактивное сопротивление однофазного управляемого реактора трансформаторного типа; jωL - реактивное сопротивление ванны печи с учетом сопротивления электрода; Z - нелинейное сопротивление электрической дуги. В другом случае, когда реактивное сопротивление отличающейся фазы больше, чем в двух других фазах, для выравнивания мощностей по фазам производят увеличение реактивных сопротивлений фаз, имеющих его наименьшие значения, путем включения в них между печным трансформатором и короткой сетью по одному однофазному управляемому электрическому реактору трансформаторного типа. В общем случае несимметрии, когда условия функционирования всех трех фаз различны, для выравнивания мощностей по фазам производят регулирование реактивного сопротивления короткой сети за счет включения в каждую фазу между печным трансформатором и короткой сетью по одному однофазному управляемому электрическому реактору трансформаторного типа.
Предлагаемый способ применим для электропечей со следующими видами конфигурации короткой сети: «звезда на электродах», «треугольник внутри трансформатора», «треугольник на неподвижных башмаках» в копланарном и триангулированном исполнении.
Применение заявляемого способа способствует снижению смещения нейтральной точки нагрузки относительно нейтральной точки печного трансформатора и перекоса мощности по фазам. Снижается излучение дуги «дикой» фазы, а следовательно, и перегрев футеровки стен и свода печи вблизи него. Повышается устойчивость горения дуги. Уменьшаются колебания токов и напряжений. При эксплуатационном коротком замыкании электродов на шихту увеличение реактивного сопротивления за счет однофазного управляемого электрического реактора трансформаторного типа снижает глубину провала напряжения, возникающего на стороне первичного напряжения печного трансформатора.
Это позволяет повысить вводимую в печь мощность, снизить продолжительность цикла плавки, сократить периоды простоя печи, необходимые для проведения ремонтных работ по восстановлению футеровки стен и свода вблизи дуги «дикой» фазы. В результате минимизируется негативное воздействие на питающую сеть, повышается производительность и снижается удельное потребление электроэнергии электропечи. Преимуществом заявляемого способа регулирования мощности дуговой трехэлектродной электропечи переменного тока является минимизация негативного влияния на питающую сеть, а также то, что по сравнению с БК однофазный управляемый электрический реактор трансформаторного типа менее чувствителен к воздействию высших гармонических составляющих тока электропечи, обладает большим сроком службы и высокой надежностью при эксплуатации.
Источники информации
1. Пат. РФ №2275759, МПК Н05В 7/148 (2006.01). Способ регулирования мощности по фазам трехэлектродной электропечи переменного тока. /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. /Р.В.Минеев, А.П.Михеев, Ю.Л.Рыжнев. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 206 с.
3. Альтгаузен А.П. Электротермическое оборудование. Справочник  /А.П.Альтгаузен. - М.: Энергия, 1980. - 416 с.
4. Данцис Я.Б. Методы электротехнических расчетов рудотермических печей. /Я.Б.Данцис. - Л.: Энергия, 1973. - 184 с.