СПОСОБ ПОФАЗНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ТРЕХЭЛЕКТРОДНОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
PHASE-BY-PHASE POWER CONTROL METHOD OF THREE-ELECTRODE ALTERNATING CURRENT ELECTRIC FURNACE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрометаллургии, а также к способам регулирования мощности в трехэлектродных дуговых электропечах переменного тока и направлено на увеличение их производительности, снижение удельного расхода электроэнергии, уменьшение их негативного воздействия на питающую сеть и повышение надежности функционирования регулирующего устройства.
Известен способ регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи, при котором, помимо управления величиной тока дуги каждого из электродов, для регулирования реактивного сопротивления короткой сети подключают батарею статических конденсаторов (БК) параллельно той фазе, реактивная составляющая сопротивления которой в данный момент больше [Пат. 2275759 Российская Федерация, МПК Н05В 7/148 (2006.01), заявл. 01.09.2004].
При подключении БК на вторичное напряжение печного трансформатора необходимо выполнить условие синусоидальности тока дуговой трехэлектродной печи [2]. Практически это труднореализуемо. Несинусоидальность тока вызвана природой горения и необычной статической характеристикой электрической дуги, а также воздействием случайных факторов, влияющих на сопротивление дугового промежутка.
Дуговые электрические печи являются источниками электромагнитных помех. Колебания токов дуг вызывают колебания напряжений. Неравномерность распределения нагрузки по фазам способствует появлению несимметрии токов и напряжений. Коммутации электропечных трансформаторов вакуумными выключателями приводят к возникновению перенапряжений, а короткие замыкания электродов на шихту - провалам напряжения. Специфическая нагрузка печи служит причиной несинусоидальности формы кривой напряжения, высших гармоник токов и напряжений. Наличие электромагнитных возмущений такого характера оказывает негативное воздействие на питающую сеть, снижает производительность и увеличивает потребление электроэнергии печи.
Одним из недостатков приведенного способа являются сложности, возникающие при частых коммутациях емкостей, и существенные перегрузки батарей статических конденсаторов токами высших гармонических составляющих, сокращающими срок их службы и снижающими надежность. Кроме того, уменьшение реактивного сопротивления короткой сети за счет включения батарей статических конденсаторов может снизить устойчивость горения дуги, что способствует возрастанию колебаний токов и напряжений. Указанный способ не предусматривает минимизацию глубины провала напряжения на стороне высшего напряжения печного трансформатора при эксплуатационном коротком замыкании электродов.
Реактивные сопротивления короткой сети динамично изменяются в течение цикла плавки металла. Это приводит к нарушению симметричного режима функционирования и вызывает смещение нейтральной точки нагрузки относительно нейтральной точки трансформатора. Суммарная активная мощность печи не изменяется, а производительность электропечи становится меньше, чем при симметричном режиме работы [3].
Воздействие вероятностных факторов особенно велико в первый период плавки. В печь вводится максимальная мощность. Дуга горит неустойчиво и часто обрывается, возникают короткие замыкания электродов на шихту. Наблюдаются наиболее резкие колебания токов, напряжений и реактивного сопротивления короткой сети. Реактивная составляющая внутрипечного сопротивления может достигать величины до 99,7% от величины полного сопротивления. На исследованной печи ДСП-100 ее значение изменяется в диапазоне от 4 до 16 мОм. Это вызвано существенными перемещениями электродов и изменением пути тока в рабочем пространстве печи. При эксплуатации печных установок наиболее часто наблюдается такой тип несимметрии, при котором сопротивление одной фазы значительно отличается от сопротивлений других фаз. В этом случае условия работы двух фаз схожи и существенно отличаются от условий функционирования третьей фазы. Фазу, имеющую минимальное сопротивление и наибольший ток, принято называть «дикой». Излучение дуги этой фазы значительнее, чем излучение дуг других фаз. За счет этого электрод «дикой» фазы быстрее проплавляет твердую шихту и завалку. Это приводит к изменению взаимного расположения электродов и усиливает несимметрию электрических параметров короткой сети. Возникает перекос мощности по фазам. Согласно [4] значения перекоса мощностей определяются по формулам:
;
;
,
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.
При симметрии электрических параметров фаз печной установки перекос мощности не наблюдается. Перенос мощности из одной фазы в другую осуществляется за счет электромагнитной индукции. Энергия переносится с одной фазы на другую. Суммарный перенос мощности в цепи электропечной установки равняется нулю. В общем случае асимметрии в обмене энергии участвуют все три фазы, а условия функционирования каждой из них различны [4].
Чем сильнее заглубляется электрод, тем большая часть излучения его дуги экранируется шихтой. В течение периода расплавления стадия закрытых дуг существенно продолжительнее, чем стадия открытых дуг. Поэтому излучение дуги «дикой» фазы не несет значительной угрозы для футеровки стен и свода печи. Большее излучение фазы с наименьшим реактивным сопротивлением не компенсирует меньшее излучение других фаз. Этим объясняется снижение производительности печи. В течение периода восстановления потребляется меньшая мощность, изменение реактивного сопротивления короткой сети не столь велико, а колебания токов и напряжений менее значительны. Однако излучения дуг не экранируются. Поэтому футеровка стен и свода поглощает большее количество энергии по сравнению с периодом расплавления. Наиболее существенно она повреждается вблизи излучения дуги «дикой» фазы. В результате увеличивается количество вынужденных простоев печи, необходимых для проведения работ по восстановлению футеровки печи. Это значительно снижает производительность агрегата. Вышесказанное подчеркивает необходимость снижения перекоса мощностей по фазам и минимизации смещения нейтральной точки нагрузки относительно нейтральной точки печного трансформатора 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 трехэлектродной дуговой электропечи переменного тока во всех режимах ее функционирования путем управления величиной тока дуги каждого из электродов и выравнивания реактивного сопротивления короткой сети по фазам. Для выравнивания мощностей по фазам за счет изменения реактивного сопротивления короткой сети между печным трансформатором и короткой сетью включают трехфазный управляемый электрический реактор трансформаторного типа.
ax
zc
yb
KCn
Pax
Pzc
Pyb
B
Д
-
В случае снижения реактивного сопротивления и возрастания тока «дикой» фазы для выравнивания мощностей по фазам увеличивают индуктивное сопротивление той рабочей обмотки управляемого трехфазного электрического реактора трансформаторного типа, которая соответствует этой фазе. Пример схемы его включения во вторичную цепь печного трансформатора дуговой электропечи с конфигурацией короткой сети «несимметричный треугольник на электродах» представлен на чертеже. Приняты следующие обозначения: jωL, jωL, jωL - реактивные сопротивления обмоток печного трансформатора; jωL реактивное сопротивление n-ного кабеля короткой сети; jωL, jωL, jωL - реактивные сопротивления фаз трехфазного управляемого электрического реактора трансформаторного типа; jωL - реактивное сопротивление ванны печи с учетом сопротивления электрода; Z - нелинейное сопротивление электрической дуги. При увеличении реактивного сопротивления одной фазы и снижении реактивных сопротивлений в двух других фазах для выравнивания мощностей по фазам увеличивают индуктивные сопротивления тех рабочих обмоток управляемого трехфазного электрического реактора трансформаторного типа, которые соответствуют фазам с наименьшими реактивными сопротивлениями короткой сети.
Предлагаемый способ применим для электропечей со следующими видами конфигурации короткой сети: «несимметричный треугольник на электродах», «треугольник на электродах», «треугольник на электродах с дополнительной стойкой фазы», «треугольник на подвижных башмаках», «треугольник внутри трансформатора», «треугольник на неподвижных башмаках» в копланарном и триангулированном исполнении.
Использование заявляемого способа способствует уменьшению перекоса мощности по фазам и минимизации смещения нейтральной точки нагрузки относительно нейтральной точки печного трансформатора. Уменьшается излучение дуги «дикой» фазы, а следовательно, и перегрев футеровки стен и свода печи вблизи него. Повышается устойчивость горения дуги. Снижаются колебания токов и напряжений. В случае возникновения эксплуатационного короткого замыкания электродов на шихту увеличение реактивного сопротивления рабочих обмоток трехфазного управляемого электрического реактора трансформаторного типа снижает глубину провала напряжения, появляющегося на стороне высшего напряжения печного трансформатора. Возрастает вводимая в печь мощность, снижается время процесса плавки и длительность периодов простоя электропечи, необходимых для проведения ремонтных работ по восстановлению футеровки стен и свода вблизи излучения «дикой» фазы.
В итоге это приводит к минимизации негативного воздействия на питающую сеть, снижению удельного расхода электроэнергии и повышению производительности электропечи. Преимуществом заявляемого способа является минимизация негативного воздействия на питающую сеть и то, что по сравнению с БК трехфазный управляемый электрический реактор менее чувствителен к влиянию высших гармонических составляющих, обладает большим сроком службы и надежностью при эксплуатации.
Источники информации
1. Пат. 2275759 Российская Федерация, МПК Н05В 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.