Способ и устройство для включения и выключения электротермической установки
METHOD AND DEVICE FOR SWITCHING ON AND OFF AN ELECTRO-THERMAL INSTALLATION

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности, к электроэнергетическим системам и может быть использовано для включения и выключения электротермической установки.
Известно устройство для включения и выключения электротермической установки (патент РФ на изобретение №2433365, Бюл. №31, 10.11.2011), в состав которой входят следующие элементы: сетевой выключатель, тигель, основная катушка, два конденсатора и две с разным числом витков дополнительные катушки, соединенные встречно последовательно, образуют с один из конденсаторов короткозамкнутый контур, а основная катушка соединена последовательно с другим конденсатором и через сетевой выключатель подключена к однофазной сети переменного напряжения частотой 50 Гц.
Недостаткам этого устройства является низкая энергетическая эффективность и неудовлетворительные динамические свойства во время включения и выключения электротермической установки.
Указанные недостатки обусловлены тем, что включение электротермической установки сопровождается большим пусковым током в одной из фаз сети и просадкой фазного напряжения, возникновением асимметричных токов в трехфазной сети, ударных электродинамических усилий в катушках и дополнительных пусковых потерь в сети. Выключение электротермической установки сопровождается возникновением электрической дуги, выжигающей серебряные контакты сетевого выключателя, это усугубляется к тому же всплеском тока и усилением дуги при разрыве электрической цепи с конденсатором на входе устройства.
Известно также устройство для включения и выключения электротермической установки (Слухоцкий А.Е. Установки индукционного нагрева: учеб. пособие / А.Е Слухоцкий, В.С. Немков, Н.А. Павлов, А.В. Бамунэр; под ред. А.Е Слухоцкого; Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981, стр. 270-273, рис. 15.6.).
Электротермическая установка содержит печной трансформатор с большими индуктивными сопротивлениями обмоток, сетевой выключатель и нагрузку, в качестве которой используется нагреваемая заготовка. Установки выполняется как в однофазном, так и трехфазном исполнении с действующими значениями фазных напряжений печного трансформатора 220/(40-80) В и частотой 50 Гц.
К недостаткам известных электротермических установок такого типа следует отнести низкую энергетическую эффективность и неудовлетворительные динамические свойства.
Эти недостатки вызваны отсутствием регулируемой коммутационной аппаратуры и способа управления электромагнитными процессами при подключении и отключении установки. Переходные процессы при пуске известного устройства носят случайный характер и сопровождаются большими асимметричными пусковыми токами и просадками напряжения в сети, возникновением ударных электродинамических усилий в обмотках трансформатора и дополнительных пусковых потерь в сети. При отключении возникает электрическая дуга, которая выжигает серебряные контакты сетевого выключателя и сокращает его срок службы.
Наиболее близким по физической сущности является устройство для включения и выключения электротермической установки (Способ включения и выключения печного трансформатора электротермической установки и устройство для его реализации / B.C. Климаш, Б.Д. Табаров, P.P. Ниматов // Известия ТулГУ. - 2020 - №6. - С. 255-262.), которое взято за прототип.
Устройство-прототип содержит трехфазный сетевой выключатель, силовой (печной) трансформатор, подключенный к нагрузке, тиристорный пускатель, состоящий из двух тиристорных ключей, включенных в фазы «А» и «С» между сетевым выключателем и силовым трансформатором, а также формирователь импульсов управления тиристорными ключами, который имеет два входа (синхронизирующий и управляющий) и два выхода, предназначенных для подключения к цепям управления двух тиристорных ключей.
Принцип действия устройства-прототипа связан с выполнением в определенной последовательности трех действий при включении и трех действий при выключении печного трансформатора электротермической установки.
Включение печного трансформатора производится в следующие три действия.
Первое действие устройства. Подготавливают силовой электронный блок и блок управления к работе. Для этого в произвольный момент времени трехфазным сетевым выключателем подают напряжение на тиристоры и блок формирователь импульсов управления (предвключение установки).
Второе действие устройства. В момент перехода через ноль фазного напряжения фазы «А», формирователь импульсов управления формирует импульс управления для тиристорного ключа фазы «С» и после его включения на трансформатор подается линейное напряжение между фазами «В» и «С».
A
B
C
Третье действие устройства. В момент перехода через ноль линейного напряжения между фазами «В» и «С», формирователь импульсов управления формирует импульс управления для тиристорного ключа фазы «А» и после его включения на трансформатор подается трехфазное напряжение с формированием симметричной трехфазной системы токов (I, I, I) и вхождения ее в установившийся режим в течение одного полупериода.
Выключение печного трансформатора производится также в три действия, но в обратной последовательности, причем первые два из них выполняются сами по себе за счет естественных процессов в схеме.
Отключение однооперационных тиристоров происходит естественным способом после снятия с тиристоров управляющих импульсов. Сначала отключится одна из фаз «А» или «С», ток через тиристорный ключ которой раньше перейдет через ноль, а затем отключатся две фазы при переходе через ноль общего для них тока. После выключения тиристоров отключают обесточенный сетевой выключатель.
Положительным качеством устройства является то, что включения электротермической установки осуществляется без бросков токов и просадок напряжения, а ее выключения выполняется без коммутационных потерь и без возникновения электрической дуги на контактах коммутационных аппаратов. Вместе с тем устройство-прототип обладает недостаткам, связанное с низкой энергетической эффективностью, вызванной загрузкой электрической сети реактивной мощностью, увеличением тока и, как следствие, возникновением от квадрата тока больших электрических потерь при работе установки.
В сочетании с конденсаторной установкой включение и выключение печного трансформатора электротермической установки с большими индуктивными сопротивлениями обмоток требует разработки специального управления динамическими процессами для сохранения срока службы конденсаторов и высоких показателей качества электроэнергии в сети.
Задачей изобретения является улучшение энергетической эффективности и динамических свойств электротермической установки.
В результате решения поставленной задач будет достигнуто улучшение динамических свойств и повышение энергетических показателей электротермической установки, как в стационарных, так и в динамических режимах работы.
Повысятся коэффициенты мощности и полезного действия электротермической установки, снизятся фазные токи потребления, уменьшится просадка напряжения и потери в сети в пусковых и стационарных режимах работы. Обеспечится отсутствие электрической дуги, коммутационных потерь и перенапряжений при отключении электротермической установки.
Решение поставленной задачи достигается тем, что введена батарея косинусных конденсаторов, которая через второй тиристорный пускатель подключена к выходу трехфазного сетевого выключателя, причем второй тиристорный пускатель содержит два тиристорных ключа с естественной коммутацией в фазах «А» и «С» и шину непосредственного подключения в фазе «В», а у формирователя импульсов управления тиристорами введены третий и четвертый выходы, которые соответственно подключены к цепям управления тиристорных ключей фазы «С» и фазы «А» второго тиристорного пускателя, при этом импульсы на втором и третьем выходе формирователя дублируют друг друга, не имея гальванической связи, а импульс для четвертого выхода формируется при переходе напряжения фазы «А» через ноль следующего полпериода относительно импульса на первом выходе.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется ниже следующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг. 1 приведена схема устройства, а на фиг. 2, осциллограммами напряжений и токов, иллюстрируется включение и выключение электротермической установки. На осциллограммах (фиг. 2) введены следующие обозначения: Ил и Иве - фазное и линейное напряжения сети; А, В и С - фазные токи, относящиеся к соответствующим рисункам для силового трансформатора, батареи косинусных конденсаторов и сети. Осциллограммы (фиг. 2) получены при проведении численных экспериментов в среде Matlab.
Устройство (фиг. 1) содержит следующие элементы.
Трехфазный сетевой выключатель 1, силовой (печной) трансформатор 2, нагрузку 3, первый тиристорный пускатель 4 с тиристорными ключами 5 и 6, батарею косинусных конденсаторов 7, второй тиристорный пускатель 8 с тиристорными ключами 9 и 10, формирователь импульсов управления 11 с синхронизирующим входам 12, управляющим входом 13 и четырьмя выходами 14, 15, 16, 17, предназначенными для подключения к цепям управления соответствующих тиристорных ключей.
Элементы устройства соединены следующим образом. Между трехфазным сетевым выключателем 1 и первичной обмотки силового трансформатора 2 подключены батареи косинусных конденсаторов 7, тиристорные пускатели 4 и 8, а также формирователь импульсов управления 11.
Первый тиристорный пускатель 4 содержит два тиристорных ключа 5 и 6 с естественной коммутацией в фазах «А» и «С» и шину непосредственного подключения в фазе «В». Он подключает первичную обмотку силового трансформатора 2 к выходу трехфазного сетевого выключателя 1, к которому также подключен синхронизирующий вход 12 формирователя импульсов управления 11 тиристорными ключами 5 и 6.
Второй тиристорный пускатель 8 содержит два тиристорных ключа 9 и 10 с естественной коммутацией в фазах «А» и «С» и шину непосредственного подключения в фазе «В». Он подключает батареи косинусных конденсаторов 7 к выходу трехфазного сетевого выключателя 1, к которому также подключен синхронизирующий вход 12 формирователя импульсов управления 11 тиристорными ключами 9 и 10. Первый 14 и второй 15 выходы формирователя импульсов управления 11 подключены к цепям управления тиристорных ключей 6 и 5, относящимся к фазам «С» и «А» первого тиристорного пускателя 4, а третий 16 и четвертый 17 выходы к цепям управления тиристорных ключей 10 и 9, относящимся к фазам «С» и «А» второго тиристорного пускателя 8.
Устройство, согласно предлагаемому техническому решению, работает и выполняет известные и вновь введенные действия в определенной последовательности.
При включении электротермической установки действия устройства выполняется в следующей последовательности.
Первое действие устройства. Подготавливают силовой электронный блок и блок управления к работе. Для этого в произвольный момент времени трехфазным сетевым выключателем 1 подают напряжение на тиристоры и формирователя импульсов управления 11 (пред включение установки).
Второе действие устройства. В момент перехода через ноль фазного напряжения фазы «А», формирователь импульсов управления 11 формирует импульс управления на первом выходе 14 для тиристорного ключа 6 фазы «С» и после его включения на трансформатор 1 подается линейное напряжение между фазами «В» и «С».
Третье действие устройства. В момент перехода через ноль линейного напряжения между фазами «В» и «С», формирователь импульсов управления 11 одновременно формирует импульсы управления на втором 15 выходе для тиристорного ключа 5 фазы «А» в цепи силового трансформатора 1 и на третьем 16 выходе для тиристорного ключа 10 фазы «С» в цепи батареи косинусных конденсаторов 7 и после включения тиристорного ключа 5 фазы «А» на трансформатор 1 подается трехфазное напряжение с формированием симметричной трехфазной системы токов и вхождения их в установившийся режим в течение одного полупериода, а после включения тиристорного ключа 10 фазы «С» на батарею косинусных конденсаторов 7 подается линейное напряжение между фазами «В» и «С».
Четвертое действие устройства. После подачи линейного напряжения между фазами «В» и «С» на батарею косинусных конденсаторов 7 формирователь импульсов управления 11 формирует импульс управления на четвертом 17 выходе для тиристорного ключа 9 фазы «А» и после его включения через один полупериод на батарею косинусных конденсаторов 7 подается трехфазное напряжение с формированием симметричной трехфазной системы токов и вхождения их в установившийся режим в течение одного полупериода.
Выключение электротермической установки производится также в четыре действия, но в обратной последовательности, при этом первые две из них выполняются сами по себе за счет естественных процессов в схеме.
Отключение однооперационных тиристоров первого и второго тиристорных пускателей 4 и 8 происходит естественным способом после снятия с тиристоров управляющих импульсов. Как у трансформатора 2, так и батареи косинусных конденсаторов 7 сначала отключится одна из фаз «А» или «С», ток через тиристорный ключ которой раньше перейдет через ноль, а затем отключатся две фазы при переходе через ноль общего для них тока. После выключения тиристоров первого 4 и второго 8 тиристорных пускателей отключают обесточенный сетевой выключатель 1.
В описании принципа действия устройства в соответствии с чертежами рассмотрен вариант, когда тиристорные ключи первого и второго пускателей включены в фазу «А» и в фазу «С» и устройство стартует с момента перехода через ноль фазного напряжения фазы «А». Это не единственный вариант возможны и другие. Например, при переключении на выходе сетевого выключателя трех вводов устройства по направлению часовой стрелки или против него и при сохранении прямого порядка следования фаз, устройство также успешно будет выполнять известные и вновь введенные действия и последовательность действий устройства, стартуя соответственно от момента перехода через ноль фазного напряжения фазы «В» или фазы «С».
Целесообразной областью применения предлагаемого устройства являются электротермические установки средней и большой мощности.