УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГОВОЙ ПЕЧИ
APPARATUS AND METHOD FOR DYNAMICALLY ADJUSTING AN ELECTRIC ARC FURNACE

Настоящее изобретение относится к устройству для динамического регулирования электрической дуговой печи в соответствии с родовым понятием основного пункта формулы изобретения и соответствующего способа.
Электрическая дуга, в частности, при трехфазном питании переменным током, подводит через три графитовых электрода электрическую энергию в форме электрических дуг к плавильной печи. Подобная печь представляет собой, например, электрическую дуговую печь EAF. Для этого, как правило, с помощью печного трансформатора среднее или высокое напряжение преобразуется с понижением в низкое напряжение и подается на электроды. Электроды могут механически перемещаться вверх или вниз, чтобы зажечь дугу, а затем за счет расстояния регулировать напряжение дуги и ток и, следовательно, вводимую мощность. Так как ток в каждой фазе два раза за период становится равным нулю, существует риск того, что дуга погаснет, если ток в противоположном направлении не будет нарастать с достаточно высокой крутизной тока, прежде чем имеющаяся плазма остынет слишком значительно.
Обычно, посредством достаточно большой индуктивности в контуре тока обеспечивается то, что ток отстает настолько, что при переходе через нуль тока напряжение уже достаточно большое, чтобы поддерживать протекание тока. Это приводит к тому, что электродуговая печь может эксплуатироваться только до определенного коэффициента мощности cosϕ и имеет высокую потребность реактивной мощности. Типичные значения коэффициента мощности составляют около 0,83, что с трансформатором с кажущейся (полной) мощностью 100 МВ⋅А дает действительную мощность 83 МВт и реактивную мощность 56 МВ⋅Ар. Поэтому электрическое оборудование не может использоваться оптимальным образом. Традиционно, регулирование электродуговой печи лежит в секундном диапазоне, а именно будучи обусловленным механическим перемещением электродов.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы в электродуговой печи обычный сдвиг фаз между током и напряжением уменьшить и, таким образом, увеличить коэффициент мощности и уменьшить составляющую реактивной мощности, причем предотвращается гашение соответствующей электрической дуги. Должен требоваться только один печной трансформатор без обычного применяемого для установки вторичного напряжения переключателя ступеней обмоток и относительно малое по сравнению с уровнем техники компенсационное устройство. Напряжение на электродах должно устанавливаться бесступенчатым и высокодинамическим образом, в частности, асимметрично. Должна выполняться быстрая и, таким образом, динамическая регулировка электрической дуги в миллисекундном диапазоне, в частности, чтобы уменьшить дрожание (фликер). Должен создаваться улучшенный ввод мощности и широкий рабочий диапазон электрической дуги, в частности, широкий диапазон стабильности электрической дуги. Наряду с предотвращением нежелательного прерывания тока, также должна минимизироваться вероятность внутренних пробоев на основе возникновения неконтролируемых перенапряжений. Объем печного трансформатора должен быть уменьшен.
Вышеуказанная задача решается устройством в соответствии с признаками основного пункта формулы и соответствующим способом в соответствии с признаками подчиненного пункта формулы изобретения.
В соответствии с первым аспектом, предложено устройство для динамического регулирования подключенной к сети электропитания электрической дуговой печи с по меньшей мере одной сетевой фазой, посредством которой на печном электроде прикладывается электрическое переменное напряжение с амплитудой и частотой для генерации требуемого для плавки тока электрической дуги с амплитудой и частотой, причем выполнено устройство контура регулирования амплитуды и/или частоты переменного напряжения по отношению к амплитуде и/или частоте тока электрической дуги, преобразователь (инвертор) представляет собой двухпортовую схему (четырехполюсник), имеющую входной порт и выходной порт, причем к входному порту подключен сетевой источник электропитания, а к выходному порту – источник электропитания плавильной печи, к выходному порту электрически подключен первичный контур первого трансформатора, во вторичный контур которого электрически подключен печной электрод электрической дуговой печи, причем первичная катушка второго трансформатора включена электрически параллельно входному порту преобразователя, а вторичная катушка первого трансформатора включена электрически последовательно с вторичной катушкой второго трансформатора.
В соответствии со вторым аспектом, предложен способ динамического регулирования подключенной к сети электропитания электрической дуговой печи с по меньшей мере одной сетевой фазой, посредством которой на печном электроде прикладывается электрическое переменное напряжение с амплитудой и частотой и подводится необходимый для плавки ток электрической дуги с амплитудой и частотой, причем устройство контура регулирования регулирует с отрицательной обратной связью амплитуду и/или частоту переменного напряжения или амплитуду и/или частоту тока электрической дуги, причем преобразователь представляет собой двухпортовую схему, имеющую входной порт и выходной порт, причем к входному порту подключен сетевой источник электропитания, а к выходному порту – источник электропитания плавильной печи, к выходному порту электрически подключен первичный контур первого трансформатора, во вторичный контур которого электрически подключен печной электрод электрической дуговой печи, причем первичная катушка второго трансформатора включена электрически параллельно входному порту преобразователя, а вторичная катушка первого трансформатора включена электрически последовательно с вторичной катушкой второго трансформатора.
В соответствии с изобретением через инвертор (преобразователь постоянного тока в переменный) к электрической дуге подводится требуемая для плавки энергия, чтобы электрическая дуга не гасла. Предлагается предпочтительное применение преобразователя, который может представлять собой, в частности, инвертор. Преимущества настоящего изобретения заключаются в быстром динамическом регулировании, в частности, в миллисекундном диапазоне для повышения коэффициента мощности фазы при эффективной стабилизации электрической дуги и возможности снижения дрожания.
Например, соответствующее изобретению устройство регулирования может применять амплитуду и/или частоту переменного напряжения в качестве управляющего параметра или управляющих параметров, а амплитуду и/или частоту тока электрической дуги - в качестве регулируемого параметра. В принципе, в качестве альтернативы, амплитуда и/или частота переменного напряжения может регулироваться в качестве регулируемого параметра амплитудой и/или частотой тока электрической дуги в качестве управляющего(их) параметра(ов).
Существенным является, что, например, падение мощности на основе тока электрической дуги может компенсироваться посредством подвода мощности с помощью переменного напряжения. В принципе, это может также выполняться наоборот.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения заявлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, устройство контура регулирования может с помощью электрического преобразователя регулировать с отрицательной обратной связью амплитуду и/или частоту переменного напряжения по отношению к амплитуде и/или частоте тока электрической дуги.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления, посредством преобразователя, амплитуда и/или частота электрического переменного напряжения может быть увеличена при уменьшении амплитуды и/или частоты тока электрической дуги. Особенно предпочтительно, во избежание срыва дуги, преобразователь может увеличивать амплитуду и/или частоту электрического переменного напряжения при переходе через нуль фазы электрической дуги. Этот способ действий может также применяться для предотвращения дрожания.
Регулирование с отрицательной обратной связью означает, что посредством устройства контура регулирования и электрического преобразователя амплитуда и/или частота переменного напряжения может быть увеличена с уменьшением амплитуды и/или частоты тока дуги. С другой стороны, для предотвращения перенапряжений при увеличении амплитуды и/или частоты тока электрической дуги, амплитуда и/или частота переменного напряжения могут быть уменьшены.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, преобразователь может преобразовывать переменный параметр, а именно, переменное напряжение или переменный ток сети электропитания фазосинхронно в соответствующий переменный параметр печного электрода.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, преобразователь может быть электрически подключен к любому уровню напряжения сети электропитания.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, преобразователь может быть двухпортовой схемой, имеющей входной порт и выходной порт, причем к входному порту может быть подключен сетевой источник электропитания, а к выходному порту – источник электропитания плавильной печи.
Двухпортовая схема описывает электрическую схему с четырьмя выводами, в которой, соответственно, два вывода образуют так называемый порт. Порт имеется тогда, когда электрический ток через оба вывода порта встречно-равный (условие порта). Двухпортовая схема, таким образом, является специальной формой четырехполюсника.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, преобразователь может представлять собой двухточечный преобразователь или многоуровневый преобразователь.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, к выходному порту может быть электрически подключен первичный контур первого трансформатора, к вторичному контуру которого может быть электрически подключен печной электрод электрической дуговой печи.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, первичная катушка (секция обмотки) второго трансформатора может быть включена электрически параллельно с входным портом преобразователя, а вторичная катушка первого трансформатора может быть включена электрически последовательно с вторичной катушкой обмотки второго трансформатора.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, отношение первичной электрической номинальной мощности первого трансформатора к таковой второго трансформатора устанавливается посредством соответствующего выбора параметров.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, это отношение может устанавливаться как 1:3.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, первый трансформатор или второй трансформатор может быть уже имеющимся печным трансформатором.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, первый трансформатор может быть повышающим преобразователем или вольтодобавочным трансформатором.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, первый трансформатор может быть удален, и выходной порт преобразователя может быть включен электрически последовательно с вторичной катушкой второго трансформатора и с печным электродом.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, электрическая дуговая печь может иметь три питаемых тремя сетевыми фазами печных электрода, в частности, графитовых электрода, причем посредством трех преобразователей могут регулироваться амплитуды и/или частоты.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, с помощью трех преобразователей может выполняться отдельное регулирование амплитуд и/или частот.
С помощью преобразователя разделение мощности может очень быстро и гибко адаптироваться. Например, электрическая мощность стабильно горящей электрической дуги может перераспределяться на другую, которая в противном случае погасла бы. Отдельные печные электроды, в зависимости от выполнения преобразователя, могут запитываться разными мощностями. Это может эффективно выполняться дополнительно при тепловом симметрировании электродуговой печи.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, устройство установки расстояния может дополнительно устанавливать для соответствующего печного электрода его расстояние до расплава в качестве рабочей точки. С помощью необходимого перемещения электродов устанавливается рабочая точка, причем с помощью соответствующего изобретению регулирования посредством преобразователя нарушения могут устраняться высокодинамичным образом.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, для каждого печного электрода может устанавливаться коэффициент мощности на фазу>0,84.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, регулирование соответствующей электрической дуги может выполняться в миллисекундном диапазоне.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, дополнительно при переходе через нуль тока может дополнительно включаться поджигающий импульс.
Изобретение описывается ниже более подробно на примерах выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - первый пример выполнения соответствующего изобретению устройства.
Фиг. 2 - второй пример выполнения соответствующего изобретению устройства.
Фиг. 3 – контур регулирования соответствующего изобретению устройства.
Фиг. 4 - пример выполнения соответствующего изобретению способа.
На фиг. 1 показан первый пример выполнения соответствующего изобретению устройства. В соответствии с этим устройством, генерируемая в электродуговой печи 1 электрическая дуга может регулироваться более динамично и более гибко по сравнению с известным уровнем техники. Фазосинхронным образом, через преобразователь 5 последовательно с первым трансформатором 13, который может быть уже предварительно установленным печным трансформатором, необходимая энергия подается к соответствующей электрической дуге, чтобы она не погасла. Точно так же, должно предотвращаться дрожание. Соответствующее изобретению устройство также позволяет избежать перенапряжений. Все сетевые импедансы, в том числе трансформатора преобразователя, включены в представленный импеданс R и X. Фиг. 1 показывает однофазную эквивалентную схему электродуговой печи 1, в которой суммарная мощность, то есть 100% подается через преобразователь 5. Тем самым получают полный контроль над электродуговой печью 1, включая рабочую частоту и бесступенчатую установку напряжения от 0 до 100%. Если электродуговая печь 1 допускает более высокую рабочую частоту, чем 50 или 60 Гц, последняя может генерироваться преобразователем 5 из сетевой частоты, и подключенный далее первый трансформатор 13 может конструироваться меньшим и более экономичным. Первый трансформатор 13 может быть уже связанным с электродуговой печью 1 печным трансформатором. G изображает петлю обратной связи соответствующего изобретению устройства 3 контура регулирования. Поскольку обратная связь здесь является отрицательной обратной связью (Gegenkoppelung), петля обратной связи обозначена ссылочной позицией G.
В соответствии с фиг. 1, сетевая фаза сети электропитания подключена к электрически подключенной электродуговой печи 1. С помощью этой сетевой фазы, расположенный в электродуговой печи и здесь детально не изображенный печной электрод запитывается электрическим переменным напряжением с амплитудой и частотой и требуемым для плавки током электрической дуги с амплитудой и частотой. В соответствии с настоящим изобретением, создается устройство 3 контура регулирования, которое регулирует с отрицательной обратной связью амплитуду и/или частоту переменного напряжения по отношению к амплитуде и/или частоте тока электрической дуги. Соответственно, при уменьшении амплитуды и/или частоты тока электрической дуги, амплитуда и/или частота переменного напряжения может увеличиваться. Точно так же, при слишком большой амплитуде и/или частоте переменного напряжения, амплитуда и/или частота тока электрической дуги может уменьшаться. Таким образом, предотвращается гашение электрической дуги, а также перенапряжение. Соответствующее изобретению устройство 3 контура регулирования может предоставляться гибким образом так, что либо переменное напряжение является управляющим параметром, а ток электрической дуги является регулируемым параметром, либо наоборот, ток электрической дуги является управляющим параметром, а переменное напряжение – регулируемым параметром. При применении соответствующего изобретению преобразователя 5 предоставляется возможность, в частности, одной установкой амплитуды и/или частоты переменного напряжения регулировать амплитуду и/или частоту тока электрической дуги. В принципе, с помощью соответствующего изобретению преобразователя 5 можно воздействовать либо на переменное напряжение, либо на ток электрической дуги. Соответственно, преобразователь 5 можно рассматривать тогда как источник напряжения или как источник тока. Фиг. 1 показывает электропитание электродуговой печи через преобразователь. Преобразователь 5 показан здесь с трансформатором 13, который может быть вольтодобавочным трансформатором. Преимуществами устройства в соответствии с фиг. 1 являются быстрое динамическое регулирование, в частности, в миллисекундном диапазоне, уменьшение дрожания, уменьшение объема первого трансформатора 13, причем при использовании печного трансформатора переключатель ступеней обмоток на первичной стороне печного трансформатора больше не требуется. Согласно фиг. 1, может выполняться быстрое, динамическое регулирование во всем диапазоне мощности. Преимуществом устройства согласно фиг. 1 является увеличенный динамический диапазон быстрого регулирования по сравнению с показанным на фиг. 2 гибридным решением с печным трансформатором и инвертором. Преобразователь 5 может электрически подключаться на любом уровне напряжения сети электропитания. Преобразователь 5 согласно фиг.1 представляет собой двухпортовую схему 11, имеющую входной порт 7 и выходной порт 9. К входному порту 7 приложена сетевая мощность, а на выходном порту 9 выдается мощность плавильной печи.
На фиг. 2 показан второй пример выполнения соответствующего изобретению устройства. К выходному порту 9 электрически подключен первичный контур первого трансформатора 13, во вторичном контуре которого электрически подключен не показанный на чертеже печной электрод электродуговой печи 1. В отличие от фиг. 1 первичная катушка второго трансформатора 15 включена электрически параллельно к входному порту 7 инвертора 5, причем вторичная катушка первого трансформатора 13 включена электрически последовательно с вторичной катушкой второго трансформатора 15. Вторичные катушки первого трансформатора 13 и второго трансформатора 15 обеспечивают электрическое переменное напряжение на печном электроде и требуемом токе электрической дуги. Фиг. 2 также показывает однофазную эквивалентную схему электродуговой печи, в которой часть энергии подается к преобразователю с подключенным вольтодобавочным трансформатором или повышающим преобразователем 13. Таким образом, электрическое напряжение переменного тока на печном электроде может устанавливаться бесступенчатым и высокодинамичным образом от 50 до 100%, а именно, также асимметрично. Все сетевые импедансы, в том числе печного трансформатора 15 и трансформатора 13 преобразователя, на фиг. 2 включены в представленный импеданс R, X. Согласно фиг. 1, электропитание электродуговой печи 1 осуществляется через печной трансформатор 15 и преобразователь 5. Фиг. 2 показывает, что мощность подается на электродуговую печь 1, например, до 75% через печной трансформатор 15 и до 25% через трансформатор 13 преобразователя. Благодаря электрической мощности от преобразователя 5 динамические характеристики дуги можно регулировать в миллисекундном диапазоне. Также можно оказывать влияние на генерацию дрожания посредством преобразователя 5. Например, при переходе через нуль тока электрической дуги также может включаться короткий поджигающий импульс, чтобы предотвратить гашение электрической дуги. Преобразователь 5 генерирует из постоянного среднего напряжения сети электропитания переменное среднее напряжение. Подключенный трансформатор 13 преобразует напряжение от уровня среднего напряжения на уровень низкого напряжения. Преимуществами устройства, показанного на фиг. 2, являются следующие: быстрое динамическое регулирование в миллисекундном диапазоне, но только в диапазоне мощности инвертора 5, уменьшение дрожания, уменьшение объема печного трансформатора 15, причем на первичной стороне печного трансформатора 15 больше не требуется переключатель ступеней обмотки трансформатора. Соответствующее изобретению быстрое, динамическое регулирование предотвращает срыв электрической дуги, поскольку мощность может индивидуально подводиться к электрической дуге. Уменьшение дрожания имеет то преимущество, что компенсационное устройство при незначительном дрожании может отсутствовать. Преобразователь 5 может быть реализован в зависимости от уровня напряжения в различных топологиях, при этом он может быть выполнен как двухточечный, а также как многоуровневый преобразователь. Кроме того, подключенный на выходе преобразователя 5 трансформатор 13, согласно фиг. 2, в зависимости от характеристик компонентов и полупроводниковых переключателей, может соответственно рассчитываться или, возможно, отсутствовать.
На фиг. 3 показано соответствующее изобретению устройство 3 контура регулирования, причем в качестве регулятора применяется преобразователь 5 и в качестве объекта регулирования RS. Преобразователь 5 может, в качестве регулятора R, например, прикладывать электрическое переменное напряжение к печному электроду. Соответственно, текущий из печного электрода или электродуговой печи 1 ток I электрической дуги может регистрироваться. Как электрическое переменное напряжение U, так и ток I электрической дуги могут иметь регистрируемые амплитуды и частоты. Показанное на фиг. 3 устройство 3 контура регулирования, имеющее электрический преобразователь 5, регулирует с отрицательной обратной связью амплитуду и/или частоту переменного напряжения на печном электроде по отношению к амплитуде и/или частоте тока электрической дуги через этот печной электрод. Особенно предпочтительно, инвертор 5 может просто устанавливать амплитуду и/или частоту электрического переменного напряжения печного электрода в качестве управляющего(их) параметра(ов) для регулирования амплитуды и/или частоты тока электрической дуги в качестве регулируемого(ых) параметра(ов). Особенно предпочтительно, контур регулирования устройства 3 контура регулирования может тогда посредством преобразователя 5 увеличивать амплитуду и/или частоту переменного напряжения при уменьшении амплитуды и/или частоты тока электрической дуги. Это может быть использовано для того, чтобы дуга генерировалась стабильно, и предотвращался срыв дуги. То же самое можно выполнять для предотвращения дрожания. Обратная установка уменьшения амплитуды и/или частоты переменного напряжения при увеличении амплитуды и/или частоты тока электрической дуги может эффективно предотвращать перенапряжения. В принципе, преобразователь 5 может устанавливать амплитуду и/или частоту тока электрической дуги в качестве управляющего(их) параметра(ов) для регулирования амплитуды и/или частоты электрического переменного напряжения в качестве регулируемого(ых) параметра(ов). Соответственно, соответствующий изобретению преобразователь 5 может рассматриваться как источник напряжения, обеспечивающий напряжение, и/или как источник тока, прикладывающий ток.
Фиг. 4 показывает пример выполнения соответствующего изобретению способа. На первом этапе S1, амплитуда и/или частота тока электрической дуги уменьшаются. На втором этапе S2, посредством соответствующего изобретению электрического преобразователя 5 амплитуда и/или частота переменного напряжения на печном электроде увеличиваются. С помощью этой соответствующей изобретению отрицательной обратной связи может эффективно предотвращаться срыв электрической дуги и дрожание. В качестве альтернативы, на первом этапе S1 может регистрироваться увеличение амплитуды и/или частоты тока электрической дуги, так что на втором этапе S2 посредством электрического преобразователя 5 амплитуда и/или частота переменного напряжения уменьшается. В этих двух вариантах, напряжение переменного тока на печном электроде представляет собой управляющий параметр, а ток электрической дуги – регулируемый параметр.