УСТАНОВКА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ТРЕХФАЗНОЙ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ С ДВУХЗВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА МЕЖДУ ПРИСОЕДИНЕНИЕМ К СЕТИ И ТРАНСФОРМАТОРОМ ПЕЧИ
POWER SUPPLY INSTALLATION FOR THREE-PHASE ELECTRIC ARC FURNACE WITH DOUBLE-LINK AC CONVERTER BETWEEN MAINS CONNECTION AND FURNACE TRANSFORMER

Данное изобретение относится к установке электроснабжения для трехфазной дуговой электропечи, при этом установка электроснабжения имеет по меньшей мере один трансформатор печи, который на первичной стороне соединен с трехфазной питающей сетью и на вторичной стороне - с трехфазной дуговой электропечью.
Такие установки электроснабжения известны. В качестве примера можно сослаться на ЕР 0847612 В1 и ЕР 0023058 А1.
Трехфазные дуговые электропечи представляют сильно нелинейную нагрузку. Нелинейности приводят к значительным обратным воздействиям на сеть, в частности к так называемому мерцанию. Поэтому установки электроснабжения для трехфазных дуговых электропечей имеют, как правило, компенсатор реактивной мощности. Компенсатор реактивной мощности включается параллельно трансформатору печи. В простейшем случае компенсатор реактивной мощности может быть выполнен, например, в виде так называемого TCR (thyristor controlled reactor = реактор с тиристорным регулированием), см. указанный выше ЕР 0847612 В1. Известно также выполнение компенсатора реактивной мощности в виде STATCOM (static compensator = статический компенсатор). В этом отношении можно в качестве примера сослаться на US 6075350 А.
Ток для работы трехфазной дуговой электропечи очень велик. По этой причине трансформатор печи стремятся располагать возможно ближе к самой дуговой электропечи, для того чтобы длина линии от трансформатора печи до трехфазной дуговой электропечи была возможно меньше. Как правило, трансформатор печи и расположенные после трансформатора печи компоненты располагают в печном отделении. Поэтому в печном отделении довольно тесно. Кроме того, количество фаз и рабочая частота трехфазной дуговой электропечи, согласно уровню техники, принудительно совпадают с количеством фаз и рабочей частотой трехфазной питающей сети.
Из DE 19920049 С2 известна установка электроснабжения для трехфазной дуговой электропечи, в которой непосредственно перед трехфазной дуговой электропечью расположен двухзвенный преобразователь переменного тока. Двухзвенный преобразователь переменного тока имеет на стороне входа выпрямитель, на выходе - инвертор, и между ними - промежуточное звено постоянного тока. Трансформатор печи в DE 19920049 С2 не упоминается. Он может быть составной частью упомянутого в DE 19920049 С2 источника трехфазного тока. В ЕР 1848248 А1 раскрыто аналогичное содержание.
Из US 6274851 В1 известна установка электроснабжения для трехфазной дуговой электропечи, в которой электроды снабжаются электрической энергией через регулятор тока. Между регуляторами тока и электродами может быть расположен трансформатор печи.
Из DE 3025644 А1 известна установка электроснабжения для трехфазной дуговой электропечи, в которой трансформатор печи на первичной стороне соединен непосредственно с трехфазной питающей сетью и на вторичной стороне - непосредственно с трехфазной дуговой электропечью. Фазы на выходной стороне трансформатора печи соединены друг с другом через мостовые схемы, при этом мостовые схемы состоят каждая из последовательно включенного конденсатора и переключателя.
Задачей данного изобретения является создание установки электроснабжения для трехфазной дуговой электропечи, в которой возможна развязка количества фаз и рабочей частоты трехфазной дуговой электропечи от трехфазной питающей сети. Кроме того, обратное воздействие на сеть должно быть по возможности ограничено симметричной активной мощностью.
Задача решена с помощью установки электроснабжения с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения установки электроснабжения являются предметом зависимых пунктов 2-10 формулы изобретения.
Согласно изобретению трансформатор печи соединен на первичной стороне через двухзвенный преобразователь переменного тока с трехфазной питающей сетью. Двухзвенный преобразователь переменного тока имеет на стороне сети по меньшей мере один выпрямитель, на стороне трансформатора - по меньшей мере один инвертор и между выпрямителем и инвертором - промежуточное звено постоянного тока. Каждая фаза трехфазной питающей сети соединена через два преобразовательных элемента выпрямителя с промежуточным звеном постоянного тока. Каждая фаза первичной стороны трансформатора печи соединена через два преобразовательных элемента инвертора с промежуточным звеном постоянного тока. Каждый преобразовательный элемент состоит из многоступенчатой последовательной схемы подмодулей. Каждый подмодуль содержит накопительный конденсатор и автономный полупроводниковый ключевой элемент. Полупроводниковые ключевые элементы каждого подмодуля выполнены с возможностью переключения независимо от полупроводниковых ключевых элементов других подмодулей того же преобразовательного элемента и других преобразовательных элементов, так что накопительный конденсатор каждого подмодуля перемыкается с помощью полупроводникового ключевого элемента соответствующего подмодуля в зависимости от его состояния переключения или является активным.
За счет выполнения, согласно изобретению, можно исключить, в частности, соединение двухзвенного преобразователя переменного тока с вторичной стороной трансформатора печи. Поэтому двухзвенный преобразователь переменного тока может быть расположен снаружи печного отделения.
В одном особенно предпочтительном варианте выполнения установки электроснабжения управление полупроводниковыми ключевыми элементами преобразовательных элементов выполняется так, что минимизируется выходящие за симметричную нагрузку фаз трехфазной питающей сети активной мощностью обратные воздействия фаз трехфазной дуговой электропечи на трехфазную питающую сеть. За счет такого выполнения можно простым образом компенсировать не желательные обратные воздействия на сеть (в частности, составляющих реактивной мощности и неравномерные нагрузки фаз трехфазной питающей сети). Кроме того, обеспечивается большая гибкость при пространственном расположении отдельных компонентов установки электроснабжения.
В минимальной конфигурации количество полупроводниковых ключевых элементов в каждом подмодуле равно двум. В этом случае подмодуль имеет, как правило, один единственный накопительный конденсатор.
В предпочтительном варианте выполнения установки электроснабжения можно не включать параллельно трансформатору печи компенсатор реактивной мощности. В качестве альтернативного решения, можно включать параллельно трансформатору печи компенсатор реактивной мощности или фильтры.
Когда имеется компенсатор реактивной мощности, то он имеет в одном предпочтительном варианте выполнения данного изобретения несколько дополнительных преобразовательных элементов. Каждый дополнительный преобразовательный элемент состоит в этом случае из многоступенчатой последовательной схемы дополнительных подмодулей, каждый из которых содержит накопительный конденсатор и автономный полупроводниковый ключевой элемент. Полупроводниковые ключевые элементы каждого дополнительного подмодуля выполнены с возможностью переключения независимо от полупроводниковых ключевых элементов других дополнительных подмодулей того же дополнительного преобразовательного элемента и других дополнительных преобразовательных элементов, так что накопительный конденсатор соответствующего дополнительного подмодуля перемыкается с помощью полупроводникового ключевого элемента дополнительного подмодуля в зависимости от его состояния переключения или является активным. Управление полупроводниковыми ключевыми элементами дополнительных подмодулей выполняется так, что минимизируются выходящие за симметричную нагрузку фаз трехфазной питающей сети активной мощностью обратные воздействия фаз трехфазной дуговой электропечи на трехфазную питающую сеть.
Компенсатор реактивной мощности может быть соединен с фазами первичной стороны трансформатора печи и/или с фазами трехфазной питающей сети.
В качестве альтернативного решения или дополнительно к наличию компенсатора реактивной мощности с фазами на первичной стороне трансформатора печи и/или с фазами трехфазной питающей сети может быть соединена, например, конденсаторная схема, например, блок конденсаторов.
Как правило, установка электроснабжения, согласно изобретению, имеет единственный трансформатор печи, единственный выпрямитель и единственный инвертор. Однако указанные компоненты могут присутствовать во множественном числе. Так, например, установка электроснабжения может иметь несколько параллельно включенных выпрямителей. За счет этого можно подавать больший ток в промежуточное звено постоянного тока. В качестве альтернативного решения или дополнительно, установка электроснабжения может иметь несколько параллельно включенных инверторов. За счет этого трансформатор печи можно снабжать большим первичным током, или же можно снабжать несколько трансформаторов печи первичным током, или снабжать другие компоненты электрической энергией. В частности, в случае, когда имеется несколько трансформаторов печи, то каждый инвертор предпочтительно соединен максимально с одним трансформатором печи.
Другие преимущества и подробности следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг. 1 - установка электроснабжения для трехфазной дуговой электропечи;
фиг. 2 - преобразовательный блок;
фиг. 3 - подмодуль;
фиг. 4 - альтернативный вариант выполнения установки электроснабжения и
фиг. 5 - другой преобразовательный элемент.
Как показано на фиг. 1, трехфазная дуговая электропечь 1 имеет несколько электродов 2, которые снабжаются из трехфазной питающей сети 3. Питание трехфазной дуговой электропечи 1 происходит, как обычно, через трансформатор 4 печи, который трансформирует относительно высокое напряжение U1 трехфазной питающей сети 3 (например, 30 кВ или 110 кВ) в относительно низкое напряжение U2 печи (как правило, несколько 100 В до максимально 2 кВ). Электроды 2 соединены непосредственно с вторичной стороной трансформатора 4 печи. Таким образом, трансформатор 4 печи выполнен в виде трехфазного трансформатора. Он имеет по меньшей мере две, как правило, три фазы.
Трехфазная питающая сеть 3 может быть внешней большой сетью. В качестве альтернативного решения, она может быть внутренней сетью предприятия с трехфазной дуговой электропечью 1. В случае внутренней сети она может быть самостоятельной сетью или, в качестве альтернативного решения, сетью, которая через понижающий трансформатор соединена с внешней сетью.
В отличие от уровня техники, трансформатор 4 печи не соединен непосредственно с трехфазной питающей сетью 3. Согласно изобретению между первичной стороной трансформатора 4 печи и трехфазной питающей сетью 3 расположен двухзвенный преобразователь 5 переменного тока. Двухзвенный преобразователь 5 переменного тока имеет на стороне сети выпрямитель 6 и на стороне трансформатора инвертор 7. Между выпрямителем 6 и инвертором 7 расположено промежуточное звено 8 постоянного тока. Каждая фаза трехфазной питающей сети 3 соединена через два преобразовательных элемента 11 выпрямителя 6 с промежуточным звеном 8 постоянного тока. Каждая фаза на первичной стороне трансформатора 4 печи соединена через два преобразовательных элемента 12 инвертора 7 с промежуточным звеном 8 постоянного тока.
Промежуточное звено 8 может быть выполнено альтернативно в виде промежуточного звена тока или промежуточного звена напряжения. Когда промежуточное звено 8 выполнено в виде промежуточного звена тока, то в одной из соединительных линий 9 промежуточного звена 8 между выпрямителем 6 и инвертором 7 расположен дроссель 10. Когда промежуточное звено 8 выполнено в виде промежуточного звена напряжения, то дроссель 10 может отсутствовать. В качестве альтернативного решения, в этом случае в промежуточном звене 8 постоянного тока может быть расположен центральный опорный конденсатор, или же в преобразовательных элементах 11, 12 выпрямителя 6 и/или инвертора 7 могут быть расположены конденсаторы.
Как правило, преобразовательные элементы 11 выпрямителя 6 выполнены одинаково. Как правило, преобразовательные элементы 12 инвертора 7 также выполнены одинаково. Кроме того, преобразовательные элементы 11 выпрямителя 6 и преобразовательные элементы 12 инвертора 7, как правило, выполнены одинаково. Преобразовательные элементы 11, 12 могут быть выполнены и работать по потребности. Предпочтительно, каждый из преобразовательных элементов 11, 12 состоит, как показано на фиг. 2, из многоступенчатой последовательной схемы подмодулей 13. Количество подмодулей 13 выбирается по потребности. Как правило, в одном преобразовательном элементе 11, 12 имеется десять или больше таких подмодулей 13. Предпочтительно, количество подмодулей 13 в одном преобразовательном элементе 11, 12 составляет от 20 до 200. Предпочтительно, количество подмодулей 13 составляет между 30 и 80. Подмодули 13 выполнены одинаково. На фиг. 2 детально показан один из подмодулей 13. Описание этого подмодуля 13 приводится ниже.
Как показано на фиг. 2, каждый подмодуль 13 имеет накопительный конденсатор 14 и автономный полупроводниковый ключевой элемент 15. Понятие «автономный» означает, что полупроводниковый ключевой элемент 15 выполнен с возможностью как включения, так и выключения с помощью подаваемых снаружи в полупроводниковый ключевой элемент 15 управляющих сигналов. Например, автономные полупроводниковые ключевые элементы 15 могут быть выполнены в виде тиристоров IGBT или в виде тиристоров GTO. Понятие «автономно» противоположно понятию «ведомый сетью». Это понятие означает, что соответствующий переключательный элемент можно целенаправленно включать, однако нельзя выключать с помощью внешнего управляющего элемента. Примером ведомого сетью полупроводникового ключевого элемента является «обычный» тиристор. Накопительные конденсаторы 14 подмодулей 13 реализуют в совокупности опорную емкость. Поэтому двухзвенный преобразователь 5 переменного тока в этом варианте выполнения выполнен в виде двухзвенного преобразователя напряжения.
Как показано на фиг. 2, подмодули 13 имеют каждый единственный накопительный конденсатор 14 и точно два полупроводниковых ключевых элемента 15. Эта конфигурация является минимальной конфигурацией подмодулей 13. В качестве альтернативного решения, подмодули 13 могут иметь, как показано на фиг. 3, например, один накопительный конденсатор 14 и четыре полупроводниковых ключевых элемента 15 по мостовой схеме. Подмодули 13 могут также иметь несколько накопительных конденсаторов 14. В этом случае на каждый накопительный конденсатор 14 должны иметься по меньшей мере два полупроводниковых ключевых элемента 15.
Полупроводниковые ключевые элементы 15 каждого подмодуля 13 выполнены с возможностью переключения независимо от полупроводниковых ключевых элементов 15 других подмодулей 13. Это справедливо независимо от того, расположены ли другие подмодули 13 в том же или в другом из преобразовательных элементов 11, 12, что и рассматриваемый подмодуль 13. В зависимости от состояния переключения полупроводниковых ключевых элементов 15 соответствующего подмодуля 13, накопительный конденсатор 14 соответствующего подмодуля 13 альтернативно перемыкается или является активным. Когда верхний на фиг. 2 полупроводниковый ключевой элемент 15 подмодуля 13 замкнут, а другой полупроводниковый ключевой элемент 15 разомкнут, то накопительный конденсатор 14 соответствующего подмодуля 13 является активным. Когда, наоборот, верхний на фиг. 2 полупроводниковый ключевой элемент 15 подмодуля 13 разомкнут, а другой полупроводниковый ключевой элемент 15 замкнут, то накопительный конденсатор 14 соответствующего подмодуля 13 перемкнут.
Полупроводниковые ключевые элементы 15 преобразовательных элементов 11, 12 управляются, как показано на фиг. 1, управляющим устройством 16 так, что минимизируются выходящие за симметричную нагрузку фаз трехфазной питающей сети 3 активной мощностью обратные воздействия фаз трехфазной дуговой электропечи 1 на трехфазную питающую сеть 3. Для этого в управляющее устройство 16 подаются с помощью известных для специалистов в данной области техники датчиков 17 по меньшей мере напряжения фаз на первичной стороне и/или вторичной стороне трансформатора 4 печи, и/или протекающие в соответствующих фазах фазовые токи трансформатора 4 печи, и/или напряжения с накопительных конденсаторов 14 подмодулей 13. Кроме того, в управляющее устройство 16 можно подавать фазовые напряжения и/или фазовые токи трехфазной питающей сети 3 и/или напряжение промежуточного звена и/или ток промежуточного звена.
Определение соответствующих управляющих сигналов для полупроводниковых ключевых элементов 15 само по себе известно. В частности, управление осуществляется тем же образом, как известно, например, из одной из следующих статей по специальности:
- “A new modular voltage source inverter topology”, A. Lesnicar et al., European Power Electronics Conference, Toulouse 2003,
- “An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range”, A. Lesnicar et al., IEEE-Powertech Conference, Bologna 2003,
- “Modulares Stromrichterkozept fuer Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen”, Rainer Marquart et al., ETG Fachtagung 2002 in Bad Neuheim.
Уже на основании соответствующего управления полупроводниковыми ключевыми элементами 15 преобразовательных элементов 11, 12 выпрямителя 6 и инвертора 7 значительно уменьшается обратное воздействие работы трехфазной дуговой электропечи 3. Поэтому во многих случаях можно, согласно фиг. 1, не включать параллельно компенсатор реактивной мощности. Однако в альтернативном варианте выполнения (смотри фиг. 4) можно параллельно трансформатору 4 печи включать компенсатор 18 реактивной мощности.
За счет (возможно дополнительного) присутствия компенсатора 18 реактивной мощности можно (дополнительно) минимизировать обратные воздействия на трехфазную питающую сеть 3.
Компенсатор 16 реактивной мощности может быть выполнен обычным образом, например в виде обычного SVC (статический компенсатор реактивной мощности) или в виде обычного TCR (реактор с тиристорным регулированием). В качестве альтернативного решения, компенсатор 18 реактивной мощности может иметь несколько дополнительных преобразовательных элементов 19 (см. фиг. 5). Каждый дополнительный преобразовательный элемент 19 состоит, как показано на фиг. 5, из многоступенчатой последовательной схемы дополнительных подмодулей 20. Каждый дополнительный подмодуль 20 выполнен по меньшей мере в соответствии с показанным на фиг. 5 выполнением. Он содержит по меньшей мере один накопительный конденсатор 21 и четыре автономных полупроводниковых ключевых элемента 22, при этом автономные полупроводниковые ключевые элементы 22 расположены в полной мостовой схеме, и накопительный конденсатор 21 расположен в мостовой ветви полной мостовой схемы.
Аналогично преобразовательным элементам 11, 12 выпрямителя 6 и инвертора 7, в дополнительных подмодулях 20 дополнительных преобразовательных элементов 19 полупроводниковые ключевые элементы 22 каждого дополнительного подмодуля 20 выполнены с возможностью управления независимо от полупроводниковых ключевых элементов 22 других дополнительных подмодулей 20 того же дополнительного преобразовательного элемента 19 и других дополнительных преобразовательных элементов 19. В зависимости от состояния переключения полупроводникового ключевого элемента 22 соответствующего дополнительного подмодуля 20 соответствующий накопительный конденсатор 21 перемкнут или является активным. В случае, когда соответствующий накопительный конденсатор 21 является активным, имеется дополнительно возможность установки полярности. Управление полупроводниковыми ключевыми элементами 22 дополнительных подмодулей 20 выполняется с помощью управляющего устройства 16 так, что минимизируются выходящие за симметричную нагрузку фаз трехфазной питающей сети 3 активной мощностью обратные воздействия фаз трехфазной дуговой электропечи 1 на трехфазную питающую сеть 3. Определение соответствующих управляющих сигналов для полупроводниковых ключевых элементов 22 известно, см., например, упомянутый в начале US 6075350 А.
Дополнительные преобразовательные элементы 19 компенсатора 18 реактивной мощности соответствуют по своей структуре выполнению преобразовательных элементов 11, 12 выпрямителя 6 и инвертора 7. Количество дополнительных подмодулей 20 в каждом дополнительном преобразовательном элементе 19 может иметь тот же порядок, что и количество подмодулей 13 в каждом преобразовательном элементе 11, 12. Однако, в качестве альтернативного решения, количество может быть другим.
Как показано на фиг. 5, дополнительные преобразовательные элементы 19 соединены, с одной стороны, с одной из фаз на первичной стороне трансформатора 4 печи и, с другой стороны, с общей нулевой точкой 23 фаз на первичной стороне трансформатора 4 печи. В качестве альтернативного решения, возможно соединение дополнительных преобразовательных элементов 19 с соответствующими двумя фазами на первичной стороне трансформатора 4 печи.
В варианте выполнения, согласно фиг. 4, компенсатор 18 реактивной мощности, как указывалось выше, соединен с фазами на первичной стороне трансформатора 4 печи. Однако в качестве альтернативного решения или дополнительно возможно также соединение компенсатора 18 реактивной мощности с фазами трехфазной питающей сети 3. В этом случае в качестве альтернативного решения также возможно включение по схеме звезды, как показано на фиг. 5, или по схеме треугольника между каждыми двумя фазами. В качестве альтернативного решения или дополнительно к компенсатору 18 реактивной мощности (соответственно, компенсаторам 18 реактивной мощности), могут быть предусмотрены конденсаторные схемы 24, как показано на фиг. 4. Конденсаторные схемы 24, если они имеются, выполнены чисто пассивными. Они состоят по меньшей мере из емкостных реактивных сопротивлений. При необходимости они могут дополнительно иметь также индуктивные реактивные сопротивления, так что конденсаторные схемы 24 становятся фильтрами.
Установка электроснабжения, согласно изобретению, имеет многие преимущества. Так, например, количество фаз трехфазной дуговой электропечи 3 не зависит от количества фаз трехфазной питающей сети 3. Например, трехфазная питающая сеть 3 может иметь три фазы, а трехфазная дуговая электропечь 1 - четыре или пять фаз. Возможно также обратное выполнение. Ток печи можно регулировать относительно амплитуды, формы кривой, степени симметрии и т.д. Кроме того, работа трехфазной дуговой электропечи 1 может не зависеть от частоты трехфазной питающей сети 3. Когда, например, трехфазная питающая сеть 3 имеет, как обычно, частоту сети 50 Гц или 60 Гц, то трехфазная дуговая электропечь может работать, например, с более высокой частотой, например 100 Гц или 150 Гц, или с более низкой частотой, например 30 Гц или 40 Гц. За счет этого можно влиять на регулирование электрической дуги. На основании того, что компенсатор 18 реактивной мощности может отсутствовать, соответственно, может быть даже подключен к трехфазной питающей сети 3, возможна оптимальная работа трехфазной дуговой электропечи 1. Двухзвенный преобразователь 5 переменного тока не должен быть расположен внутри печного отделения.
Приведенное выше описание служит исключительно для пояснения данного изобретения. В противоположность этому, объем защиты данного изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.