РЕАКТИВНОЕ БАЛЛАСТНОЕ УСТРОЙСТВО
REACTIVE BALLAST ARRANGEMENT

Изобретение относится к реактивному балластному устройству для электродуговой печи, в частности для установки дополнительной реактивности трансформатора электродуговой печи.
Перед электродуговой печью, как она используется, например, для плавки стали, обычно включен трансформатор, который устанавливает требуемое для электрической дуги переменное напряжение. Так как с электродуговой печи снимаются очень высокие мощности и предварительно включенным трансформатором должны передаваться высокие переменные напряжения, такие трансформаторы обычно помещаются в изолирующее средство, чтобы избегать искрового перекрытия.
Параметром, важным для переменного напряжения и переменного тока, является реактивность, то есть реактивное сопротивление проводника, например обтекаемой током катушки.
Для различных рабочих состояний электродуговой печи желательно иметь возможность устанавливать различные реактивности. С этой целью известно, что в предварительно включенный трансформатор встраивается устройство для установки реактивности с дроссельной катушкой и с переключателем ступеней нагрузки. В типовом случае такие устройства с катушками и активной частью трансформатора помещаются в резервуар, заполненный изолирующим средством.
Для установки электродуговой печи без встроенной в трансформаторный резервуар дополнительной реактивности, кроме того, известно, что вне трансформатора, например в открытом распределительном устройстве, используются смонтированные дроссельные катушки без ферромагнитного сердечника в качестве дополнительной реактивности.
Однако с выполненными таким образом дополнительными реактивностями невозможно установить оптимальную для всех рабочих состояний электродуговой печи реактивность под нагрузкой.
Поэтому на практике многие установки электродуговых печей работают с постоянно предварительно выбранной реактивностью. Используемая для этого дроссельная катушка имеет, по меньшей мере, один отвод, который ответвляет протекающий через катушку ток после определенного числа витков и, тем самым, придает определенно установленную реактивность трансформатору. Для придания желательной реактивности отвод монтируется постоянным образом. Однако должно предприниматься изменение, если спустя длительный период работы выявляется, что выбранная реактивность в режиме под нагрузкой, то есть при работе печи, установлена не оптимальным образом, что, например, приводит к нежелательному повышению потребления энергии, или что реактивность должна быть отрегулирована в зависимости от процесса. Для этого невыгодным образом требуется отключение электропитания, тем самым, остановка печи, а также монтаж трансформатора с другим отводом на дроссельной катушке.
Первая задача изобретения состоит в том, чтобы создать устройство, с помощью которого можно было просто устанавливать, в частности, реактивность, включенную перед трансформатором.
Вторая задача изобретения состоит в том, чтобы создать трансформатор, посредством которого реактивность можно было устанавливать максимально точно.
Третья задача изобретения состоит в том, чтобы создать электродуговую печь, в частности, для плавки стали, которая в режиме под нагрузкой по возможности оптимально и экономично снабжается энергией.
Первая задача в соответствии с изобретением решается тем, что предложено реактивное балластное устройство, в частности, для электродуговой печи с дроссельной катушкой и с открытым переключателем ступеней нагрузки, причем переключатель ступеней нагрузки выполнен с возможностью установки реактивности дроссельной катушки под нагрузкой.
Соответствующая изобретению комбинация дроссельной катушки с открытым переключателем ступеней нагрузки обеспечивает возможности установки предварительной реактивности под нагрузкой, так что в соответствии с производственными потребностями всегда может быть выбрана оптимальная предварительная или дополнительная реактивность, особенно в применении к режиму нагрузки электродуговой печи.
Реактивное балластное устройство не ограничено его применением для установки реактивности для электродуговой печи или для трансформатора электродуговой печи. Оно может также включаться перед другими потребителями энергии или установками, параметры которых определяются, в частности, посредством реактивности.
Предпочтительным образом для реактивного балластного устройства выбрана свободная, с сухой изоляцией дроссельная катушка без ферромагнитного сердечника. В случае дроссельных катушек без ферромагнитного сердечника с сухой изоляцией не используется изоляционное масло, благодаря чему затраты на техническое обслуживание снижаются и уменьшается пожароопасность, вследствие чего повышаются экономичность и безвредность для окружающей среды.
Кроме того, дроссельная катушка имеет подходящее число мест отвода, которым соответствует определенное число витков катушки. Так как индуктивность и, тем самым, импеданс катушки зависит от числа витков, через которые протекает ток катушки, можно за счет ответвления переменного тока, протекающего в катушке, в месте отвода ступенчатым образом задавать импеданс катушки и, тем самым, реактивность, то есть реактивное сопротивление при переменном токе, в соответствии со ступенями мест отвода.
В предпочтительном дальнейшем развитии реактивного балластного устройства скомбинированный с дроссельной катушкой свободный переключатель ступеней нагрузки имеет некоторое число входных контактов, по меньшей мере, один выходной контакт и переключающий элемент.
При этом переключающий элемент выполнен с возможностью попеременного варьируемого соединения, по меньшей мере, одного входного контакта с выходным контактом. В случае нескольких входных контактов переключающий элемент может, таким образом, соединять, соответственно, один или несколько входных контактов с выходным контактом. За счет соответствующей установки переключающего элемента выход, таким образом, управляется на одном или любом выходном контакте. Переключатель ступеней нагрузки содержит, кроме того, резервуар с изолирующим средством, который выполнен с возможностью помещения в него переключающего элемента. За счет изолирующего средства устраняется искровой пробой из-за высоких напряжений. За счет изолирующих свойств изолирующего средства уменьшается искровой промежуток, так что конструктивные габариты в целом уменьшаются.
Переключающий элемент содержит подходящим образом некоторое количество входов и, по меньшей мере, один выход, причем с одним или каждым выходом соотнесен узел разветвления, с которым соединяются, по меньшей мере, две ветви мостовой схемы, причем ветви, соответственно, являются деактивируемыми в местах включения, причем ветви, соответственно, являются варьируемым образом соединяемыми с входами и, соответственно, попарно между собой через поперечное соединение соединены с местом включения нагрузки, в частности, вакуумным выключателем.
К относящемуся к выходу переключающего элемента узлу разветвления сходятся относящиеся к мостовой схеме ветви, причем мостовая схема содержит, по меньшей мере, две ветви. Ветви устанавливают контакт с входами переключающего элемента и могут при этом отдельно контактировать с различными входами, так что на входе приложено несколько ветвей или только, соответственно, одна ветвь на соответствующем одном входе. В частности, может быть реализовано варьируемое контактирование за счет сдвига ветвей между различными входами. Если все ветви приложены к одному входу или все ветви контактируют с этим входом, то задается одна позиция ступени. Если, напротив, две ветви приложены к двум различным входам, то определяется позиция моста. При только двух ветвях имеется только одна позиция ступени и одна позиция моста. Подобным образом выполненный переключающий элемент обеспечивает возможность переключения под нагрузкой, причем переключение с одной позиции ступени на другую осуществляется последовательно через образование позиции моста.
Ветви мостовой схемы переключающего элемента связаны попарно с поперечными соединениями, которые являются деактивируемыми через, соответственно, место включения нагрузки. Между узлами разветвления и поперечными соединениями ветви, со своей стороны, снабжены, соответственно, местами переключения. Если теперь места переключения на отдельных ветвях деактивируются, например, чтобы эти ветви сдвинуть с каждого одного входа на каждый другой вход, то связанные с этими ветвями поперечные соединения берут на себя, прежде всего, нагрузку и могут к тому же выравнивать флуктуации тока и напряжения в области узла разветвления и устранять имеющиеся там перегрузки при переключении. Теперь поперечные соединения в местах переключения нагрузки могут деактивироваться, и отсоединенные от протекания тока ветви могут сдвигаться. Места включения нагрузки предпочтительно определяются вакуумными выключателями, так как вакуумные выключатели в качестве силовых выключателей за счет экранирующего действия вакуума функционируют надежным образом и устойчивы к износу. К тому же ветви между поперечными соединениями и местами контакта на входной стороне подходящим образом снабжены дроссельными элементами, которые в мостовой конфигурации гарантируют по существу равномерное распределение нагрузки в токовой цепи.
Желаемое выполнение реактивного балластного устройства в значительной степени обеспечивается тем, что число мест отводов дроссельной катушки совпадает с числом входных контактов переключателя ступеней нагрузки и, соответственно, место соединения соединено с входным контактом. При этом предпочтительным является линейное соотнесение мест отводов с входными контактами, так что отсчет входных контактов с заданной последовательности соответствует возрастающей или убывающей реактивности дроссельной катушки. Тем самым имеет место желательное однозначное соответствие между ступенями реактивности и входными контактами.
Кроме того, существует целесообразным способом однозначное соответствие между входными и выходными контактами переключателя ступеней нагрузки и входами и выходами переключающего элемента. Тем самым, в частности, входы переключающего элемента однозначно соответствуют ступеням реактивности. Посредством переключающего элемента как части переключателя ступеней нагрузки, таким образом, выражается согласование реактивности трансформатора посредством выбора ступени с местами ответвления дроссельной катушки.
Вторая задача в соответствии с изобретением решается трансформатором, в частности, для электродуговой печи, с которым соотнесено реактивное балластное устройство вышеописанного типа.
В трансформатор предпочтительным образом встроено дополнительное устройство для установки реактивности с дроссельной катушкой и с переключателем ступеней нагрузки.
Третья задача в соответствии с изобретением решается электродуговой печью, в частности, для выплавки стали, к которой подключен трансформатор вышеназванного типа.
В последующем описании более подробно объясняется пример выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых в схематичном изображении представлено следующее:
Фиг.1 - реактивное балластное устройство с дроссельной катушкой без ферромагнитного сердечника и с переключателем ступеней нагрузки,
Фиг.2 - процесс переключения переключающего элемента между позицией ступени и позицией моста в 6 отдельных представлениях с А по F, и
Фиг.3 - линейная схема электродуговой печи с трансформатором и реактивным балластным устройством вышеназванного типа.
На фиг.1 в целом показано реактивное балластное устройство V с дроссельной катушкой 1 без ферромагнитного сердечника и со свободным переключателем 2 ступеней нагрузки. Дроссельная катушка 1 без ферромагнитного сердечника через точку 3 подачи питания соединена с токовой сетью и снабжена некоторым количеством равномерно размещенных мест 4 отвода, через которые протекающий через дроссельную катушку 1 без ферромагнитного сердечника ток может ответвляться после, соответственно, кратного значения равновеликого частичного участка протекания через катушку. В необходимом случае дроссельная катушка 1 без ферромагнитного сердечника может помещаться в резервуар 5, который здесь показан пунктиром.
Свободный переключатель 2 ступеней нагрузки имеет стальной корпус 6, внутреннее пространство 7 которого заполнено изолирующим средством, в частности маслом. Переключатель 2 ступеней нагрузки снабжен некоторым количеством входных контактов 8, которые соединены проводом с местами 4 отводов дроссельной катушки 1 без ферромагнитного сердечника. Во внутреннем пространстве 7 стального корпуса 6 входные контакты 8 представляют входы для локализованного там переключающего элемента 9, который здесь сдвигается варьируемым образом как единое целое. Выход переключающего элемента 9 через выходной контакт 10 ведет наружу и через сетевой проводник 11 соединен с трансформатором электродуговой печи. За счет определенного сдвига переключающего элемента к определенному входному контакту 8 и соответствующему месту 4 отвода замыкается цепь нагрузки реактивного балластного устройства V между точкой 3 подачи питания и выходным проводником 11. Тем самым соответствующая месту 4 отвода реактивность 4 дроссельной катушки 1 без ферромагнитного сердечника предоставляется в распоряжение на выходном проводнике 11.
На фиг.2 схематично показан процесс переключения переключающего элемента 9 по фиг.1 между позицией ступени и позицией моста в фазах переключения с А по F. С помощью изображения фазы переключения А сначала детально поясняются компоненты переключающего элемента, которые являются аналогичными для остальных фаз переключения с В по F. Для наглядности на изображениях фаз переключения с В по F компоненты переключающего элемента 9 только в тех случаях снабжены ссылочными позициями, где это необходимо для пояснения процесса переключения.
Показанный на фиг.2 переключающий элемент 9 соединен через переключатель 2 ступеней нагрузки с местами 4 отводов дроссельной катушки 1 без ферромагнитного сердечника, как это можно видеть на фиг.1. Представлены два входа 12l, 12r переключающего элемента 9, которые на фиг.1 соответствуют входным контактам 8 переключателя 2 ступеней нагрузки. В представлении на чертеже переключающий элемент 9 имеет левую проводящую ветвь, или ветвь 13l, или правую проводящую ветвь, или ветвь 13r, которые, соответственно, снабжены дроссельными катушками 14l 14r и, соответственно, через места 15l, 15r контакта с тумблерами 16l, 16r соединены с узлом 17 разветвления. Узел 17 разветвления ведет к выходу 21 переключающего элемента 9. Соответственно, между дроссельными катушками 14l, 14r и местами 15l, 15r контакта существует поперечное соединение 18 с вакуумным выключателем 20 между проводящими ветвями 13l и 13r, которые в местах 19l, 19r подключения, соответственно, связаны с ними. Стрелка S указывает обратное направление тока.
Процесс переключения очевиден из отдельных фаз переключения с А по F:
А - Переключающий элемент 9 находится в позиции ступени на входе 12l. Обе ветви 13l и 13r приложены к входу 12l. Тумблеры 16l и 16r находятся в соответствующих местах 15l, 15r контакта в замкнутом положении, так что обе ветви 13l и 13r находятся под нагрузкой. Дроссельные катушки 14l и 14r обеспечивают симметричное распределение нагрузки на ветвях 13l и 13r.
В - Тумблер 16r размыкается, в месте 15r контакта контакт нарушен. Тем самым теперь поперечное соединение 18 через замкнутый вакуумный выключатель находится под нагрузкой.
С - Вакуумный выключатель 20 размыкается, ветвь 13r свободна от нагрузки и может быть сдвинута, вся нагрузка приходится на ветвь 13l.
D - свободная от нагрузки ветвь 13r сдвигается с входа 12l к входу 12r.
Е - Вакуумный выключатель 20 замыкается, поперечное соединение 18 и ветвь 13r снова находятся под нагрузкой, позиция моста активна, так как теперь к тому же входы 12l и 12r через узел 17 разветвления устанавливают замкнутую цепь.
F - Тумблер 16r вновь замыкается, в месте 15r контакта вновь устанавливается контакт. Позиция моста вместо реализации через поперечное соединение 18 реализуется через оба места 15l, 15r контакта.
В обратной последовательности по отношению к последовательности от A до F зеркально симметрично к ней может теперь сдвигаться ветвь 13l, чтобы установить позицию ступени обеих ветвей 13l и 13r на входе 12r.
Таким способом с помощью мостовой схемы переключающего элемента 9 с образованием позиций моста на различных входах возможно смещение от позиции ступени к позиции ступени между этими различными входами под нагрузкой.
Фиг.3 показывает электродуговую печь О с печным трансформатором Т и реактивным балластным устройством V вышеописанного типа с дроссельной катушкой 1 и переключателем 2 ступеней нагрузки.