РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДУГОВОЙ НАГРУЗКИ
ARC LOAD AC CONTROLLER

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, преимущественно к мощным полупроводниковым регуляторам переменного тока, предназначенным для использования в системах питания электродуговых нагрузок, таких как, например, плазмотроны [1, 2, 3]. Плазмотрон переменного тока является нелинейной нагрузкой для источника питания, параметры которой (мощность, падение напряжения, ток, пульсации токов и напряжений) зависят от многих факторов (изменения расхода газа, режима горения дуги, геометрических размеров электродуговой камеры и т.п.). Это предъявляет специфические требования к источнику питания, например, требует наличия регулирующего элемента, обеспечивающего стабильность работы, требуемый уровень мощности плазмотрона и поддержание устойчивого горения дуги во время перехода тока через нуль. Система электропитания плазмотрона переменного тока должна иметь такие характеристики, чтобы обеспечивать снижение скорости нарастания тока плазмотрона до необходимой величины и соответствующее подавление высших гармоник в токе плазмотрона, чтобы была обеспечена как статическая, так и динамическая устойчивость дуги плазмотрона. Уменьшение уровня высших гармоник в токе плазмотрона необходимо также для обеспечения требований по электромагнитной совместимости плазмотронов с другим оборудованием.
Известен простой тиристорный регулятор переменного тока (TP), состоящий из встречно-параллельных тиристоров, включенных последовательно с нагрузкой [4]. Известно также применение таких регуляторов, включенных последовательно с электрическим реактором и образующих тиристорно-реакторную группу, для изменения его индуктивной реакции путем регулирования тока в нем с целью компенсации реактивной мощности в сетях высокого напряжения [5]. Из-за прерывистого характера регулируемого тока такой простой регулятор неприменим для использования в системах питания потребителей, требующих непрерывного изменения тока, как при питании дуговых плазмотронов. Известна также система питания электродуговых печей, состоящая из регулятора на основе встречно-параллельных тиристоров, параллельно и последовательно которым включены электрические реакторы [6, 7]. Для компенсации реактивной мощности, потребляемой системой питания, и фильтрации высших гармоник в таких системах необходима установка статических тиристорных компенсаторов с резонансными фильтрами высших гармоник [7].
Развитие техники мощных широтно-модулированных (Pulse-Width Modulation, PWM) конверторов напряжения (Voltage Sourced Converter, VSC) [8] и появление модульных многоуровневых преобразователей [9, 10] открывают новые возможности для построения систем регулирования мощности и поддержания параметров сети в системах переменного тока и позволяет использовать простой регулятор на основе встречно-параллельно включенных тиристоров для регулирования тока и стабилизации дуги в плазмотроне.
Заявляемое техническое решение решает задачу создания непрерывного тока в дуговой нагрузке (плазмотроне) при использовании тиристорного регулятора тока, включенного последовательно с электрическим реактором. В соответствии с предложенным техническим решением известный регулятор переменного тока, состоящий из последовательно включенных встречно-параллельных тиристоров и реактора [5], дополнительно содержит транзисторно-конденсаторный широтно-модулированный конвертор, который включается параллельно нагрузке и управляется с помощью обратной связи по току.
TP передает энергию из электрической сети в нагрузку, при этом регулирование перетока энергии осуществляется путем управления фазой включения тиристоров. Ток регулятора is при этом может быть разложен на основную гармонику сетевой частоты isl и ток высших гармоник ish:
Высокочастотный широтно-модулированный конвертор, представляющий собой активный фильтр, поглощает высшие гармоники тока
и в нагрузку при этом поступает разностный ток
т.е. синусоидальный непрерывающийся ток, равный основной гармонике тока ТР.
На фиг.1 представлена заявляемая схема регулятора переменного тока дуговой нагрузки. Задание напряжения u, формирующего задание тока конвертора, осуществляется регулятором напряжения regu системы управления, на вход которого поступает разностный сигнал
по сигналу обратной связи с датчика тока is тиристорного регулятора за вычетом первой гармоники этого тока isl, выделяемой блоком regi системы управления.
Применение активного фильтра, шунтирующего нелинейную нагрузку, обеспечивает фильтрацию гармоник, создаваемых не только тиристорным регулятором, но и возникающих в процессе горения дугового разряда вследствие колебания столба дуги [2, 3], обеспечивая дополнительное повышение устойчивости ее горения.
Работу заявляемого регулятора переменного тока иллюстрируют графики процессов (фиг. 2), полученные с помощью ELTRAN-модели. ELTRAN [11, 12] является универсальной системой моделирования вентильных преобразователей любой конфигурации и назначения. Вместе с силовой частью преобразователя в ELTRAN-модели отображается и система управления, а также, по мере необходимости, примыкающие внешние цепи. Осуществленная модель, во-первых, отображает подробно все силовые цепи тиристорного регулятора с активным фильтром, представленные на фиг. 1, в том числе:
питающую сеть, отображаемую источником напряжения и индуктивностью сети;
тиристорный регулятор (TP) с последовательным реактором L;
ШИМ-конвертор (АФ1);
дуговую нагрузку;
сетевое фильтро-компенсирующее устройство (АФ2 и КБ). Математическое описание модели дуги было представлено в виде аппроксимации ее вольтамперной характеристики в соответствии с [13].
Использование тиристорно-реакторного регулятора для питания дуговой нагрузки, также связано с отрицательным действием, оказываемым им на питающую сеть из-за потребления большой реактивной мощности и искажения формы напряжения питающей сети за счет соответствующего искажения напряжения на индуктивности сети при протекании искаженного тока нагрузки. Эти искажения особо выражены при питании сверхмощных плазмотронов от сети общего пользования или питании дуговой нагрузки от сети ограниченной мощности, в частности - от автономных систем генерации электроэнергии [2, 3]. Для стабилизации и приведения формы напряжения на шинах сети к нормативным значениям предлагается использовать активное фильтро-компенсирующее устройство шунтирующего типа [14], состоящее из активного фильтра АФ2 и конденсаторной батареи КБ, как показано на фиг. 1. Работу сетевого активного фильтро-компенсирующего устройства (АФКУ) шунтирующего типа иллюстрируют графики процессов (фиг. 3, фиг. 4), полученные с помощью ELTRAN-модели. На фиг. 3 показано напряжение usb на шинах питающей подстанции в отсутствие сетевого АФКУ. Видно, как напряжение искажено высшими гармониками.
На фиг. 4 показаны токи и напряжения в схеме регулятора с сетевым активным фильтро-компенсирующим устройством; напряжение usb на шинах после присоединения сетевого АФКУ становится практически синусоидальным, а коэффициент мощности нагрузки сети повышается с 0,75 до 0,94.
Источники информации
1. Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет/ А.С. Коротеев, В.М. Миронов, Ю.С. Сверчук. - М.: Машиностроение, 1993 г. - 296 с.
2. Рутберг Ф.Г., Гончаренко Р.Б., Кумкова И.И., Сафронов А.А. Особенности плазмотронов переменного тока и выбор их автономных источников электропитания применительно к установкам для получения синтез-газа. Известия Академии Наук, Энергетика, №4, 2015 г., стр. 104-115.
3. Гончаренко Р.Б., Киселев А.А., Рутберг А.Ф. и др. Особенности систем электропитания трехфазных плазмотронов переменного тока. Известия Академии Наук, Энергетика, №3, 2012 г., стр. 122-127.
4. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного привода/ Л.П. Петров, О.А. Андрющенко, В.И. Капинос и др. - М., Энергоатомиздат, 1986. - 200 с.
5. Статические компенсаторы реактивной мощности для электрических сетей: Сб. статей/под ред. В.И. Кочкина. - М.:ЭЛЕКС-КМ, 2010. - 206 с.
6. Patent USA US 2002/0136260 Al. Power Control System For AC Arc Furnace/ T.L. Wai Ma, M. Sedighy, B.K. Perkins, ТА. Gerrtsen, J.Rajda, 26.09.2002.
7. Гетопанов А.Ю., Табкаров Б.Д., Климаш B.C. Исследование регулировочных свойств и влияния на сеть реакторно-тиристорного устройства на высокой стороне печного трансформатора. Промышленная электроника, автоматика и системы управления, №2 (39), 2018 г., стр. 49-55.
8. Розанов Ю.К. Силовая электроника: уч. для ВУЗов/ Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. - М.: Изд. дом МЭИ, 2007. - 632 с.
9. Marquardt Rainer (DE) - Current rectification circuit for voltage source inverters with separate energy stores replaces phase blocks with energy storing capacitors. Publication number DE10103031, 2002-07-25
10. A. Lesnicar, and R. Marquardt, "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range", IEEE PowerTech Conference, Bologna, Italy, June 23-26, 2003.
11. Мустафа Г.M. - Матрицы для описания топологии трансформаторов. «Электричество», №10, 1977 г., стр. 34-39.
12. Мустафа Г.М., Шаранов И.М. - Математическое моделирование тиристорных преобразователей, «Электричество», №1, 1978 г., стр. 40-45.
13. А.Н. Черненко. Обобщенная модель печной и сварочной дуги/ Вектор науки ТГУ,№3 (17), 2011, с. 68-70.
14. Мустафа Г.М., Гусев С.И. Активные фильтро-компенсирующие устройства шунтирующего и сериесного типа в электрических сетях. «Энергетик», №8, 2019, стр. 3-10.