Система електропостачання трифазної дугової печі з високовольтним багаторівневим перетворювачем частоти

Реферат: Система електропостачання трифазної дугової печі містить високовольтний багаторівневий перетворювач частоти, що встановлений на первинній стороні електропічного трансформатора, вторинна обмотка якого живить трифазну дугову піч. Високовольтний перетворювач частоти містить багатообмотковий трансформатор, вторинні обмотки якого живлять силові блоки випрямляч-інвертор, які своїми вихідними виводами в кожній фазі з'єднуються послідовно. Система автоматичного управління дугової печі по лінії живлення підключена до низьковольтної мережі через послідовно з'єднані джерело безперебійного живлення та перший блок живлення. Також система електропостачання містить другий блок живлення кіл управління, який вхідними виводами з'єднаний з вихідними виводами джерела безперебійного живлення, а вихідними виводами підключений до замкненого струмо провідного контуру, який утворений послідовно з'єднаними первинними обмотками трансформаторів струму, число яких дорівнює числу силових блоків «випрямляч-інвертор», крім того кожний силовий блок «випрямляч-інвертор» містить локальний блок живлення, який має два вхідних й один вихідний каскад, а локальний блок управління кожного силового блока «випрямляч-інвертор» має два незалежних каскади, причому кожний каскад підключений до локального блока живлення по окремим лініям живлення. UA 90505 U (12) UA 90505 U UA 90505 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки і може бути використана в системах електропостачання трифазних дугових печей. Відомі системи електропостачання дугових печей струмами зниженої частоти [1], в яких низьковольтний перетворювач частоти встановлюється між електропічним трансформатором та піччю. Такий перетворювач, виходячи з місця установки, працює в умовах великих струмів та в зоні значного електромагнітного поля. Вже при потужності печі вище 1 МВт через перетворювач частоти протікають струми більше 1 кА, що обумовлює значне ускладнення його конструкції. Завдяки цьому фактору, як правило, потужність таких систем електропостачання обмежена величинами 4-5 МВт. Відома система електропостачання дугових печей [2], яка виконана на базі багаторівневого перетворювача частоти, що встановлюється на стороні високої напруги електропічного трансформатора. Такий перетворювач частоти містить вхідний багатообмотковий трансформатор, первинна обмотка якого підключена до мережі високої напруги, а вторинні обмотки живлять відповідні силові перетворювальні блоки, що побудовані на базі інверторних схем на IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - біполярних транзисторах з ізольованими затворами) зі зворотними діодами. Силові перетворювальні блоки в кожній фазі з'єднуються послідовно. Таким чином в даній системі електропостачання формування вихідної напруги високовольтного перетворювача частоти відбувається у вигляді ступінчатої синусоїди, шляхом складання рівнів напруги послідовно з'єднаних силових перетворювальних блоків. Для управління перетворювачем частоти такі системи електропостачання містять систему автоматичного управління, блок формування та розподілу сигналів управління напівпровідниковими приладами, а також блок живлення. Для вимірювання струмів і напруг використовуються відповідні датчики. Недоліком такої системи електропостачання являється недостатня надійність перетворювача частоти при пошкодженні одного з силових перетворювальних блоків. Завдяки тому, що силові блоки своїми вихідними виводами включені послідовно з обмотками електропічного трансформатора, будь-які пошкодження бодай одного з цих блоків приводять до переривання відповідної фази живлення, що є аварійним режимом для електропічного трансформатора та потребує відключення дугової печі. Такі відключення можуть привести до важких технологічних порушень та значних економічних збитків. Відомі системи електропостачання на базі високовольтних багаторівневих перетворювачів частоти, що містять дволанкові силові перетворювальні блоки ("випрямляч-інвертор") [3], кожен з яких додатково містить байпасне коло, яке при пошкодженні силового блока шунтує його вихідні виводи. В цьому випадку, струм навантаження проходить по байпасному колу, що забезпечує працездатність системи електропостачання при пошкодженні одного чи декількох силових блоків. Як правило, байпасне коло виконується на базі двох зустрічно-послідовно з'єднаних IGBT-модулів зі зворотними діодами. Для управління IGBT-модулями інвертора напруги та ЮВТ-модулями байпасного кола використовується локальний блок управління, що встановлюється в силовому блоці та отримає керуючі імпульси від блока формування та розподілу імпульсів керування. Недоліком такої системи електропостачання є недостатня надійність управління системою байпасування аварійними вентильними блоками за рахунок відсутності резервування кіл управління байпасними транзисторами. Таким чином, пошкодження локального блока управління, або його блока живлення в силовому блоці "випрямляч-інвертор" може привести до неспрацьовування байпасного кола, а також до аварійних ситуацій в системі електропостачання дугової печі. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення надійності системи електропостачання трифазної дугової печі змінної частоти за рахунок забезпечення безперебійності живлення системи управління високовольтним багаторівневим перетворювачем частоти, а також підвищення ефективності аварійного байпасування силових блоків "випрямляч-інвертор". Поставлена задача вирішується тим, що пропонована система електропостачання містить високовольтний багаторівневий перетворювач частоти, що вхідними виводами підключений до мережі високої напруги, а вихідними виводами до первинної обмотки електропічного трансформатора, вторинна обмотка якого підключена до трифазної дугової печі. Високовольтний перетворювач частоти містить багатообмотковий трансформатор, первинна обмотка якого є входом перетворювача частоти, а вторинні обмотки живлять силові блоки "випрямляч-інвертор", кожен з яких містить вхідні запобіжники, перші виводи яких утворюють вхідні виводи силового блока, некерований мостовий випрямляч, що виконаний на шести діодних модулях, ємнісну ланку, та однофазний мостовий інвертор, який виконаний у вигляді однофазної мостової схеми на IGBT-модулях зі зворотними діодами і байпасне коло, що включено між першим та другим вихідними виводами силового блока та виконано на базі 1 UA 90505 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зустрічно-послідовного з'єднання двох IGBT-модулів зі зворотними діодами. Силові блоки "випрямляч-інвертор" своїми вихідними виводами в кожній фазі з'єднуються послідовно таким чином: перші виводи перших з послідовно з'єднаних силових блоків "випрямляч-інвертор" різнойменних фаз з'єднуються у загальну точку. В кожній фазі другі вихідні виводи попередніх силових блоків з'єднано з першими вихідними виводами наступних силових блоків, причому другі виводи останніх з послідовно з'єднаних силових блоків "випрямляч-інвертор" різнойменних фаз утворюють вихідні виводи перетворювача частоти. Блок формування та розподілу імпульсів керування перетворювачем частоти з одного боку підключений до системи автоматичного управління дугової печі, а з іншого боку - до локальних блоків управління кожного силового блока "випрямляч-інвертор". Також система автоматичного управління зв'язана з датчиками вихідних струмів та вихідної напруги перетворювача частоти. По лінії живлення система автоматичного управління підключена до низьковольтної мережі через послідовно з'єднані джерело безперебійного живлення та перший блок живлення, згідно з корисною моделлю, система електропостачання дугової печі містить другий блок живлення, що виконаний за схемою стабілізованого джерела струму, який вхідними виводами з'єднаний з вихідними виводами джерела безперебійного живлення, а вихідними виводами підключений до замкненого струмопровідного контуру, який утворений послідовно з'єднаними первинними обмотками трансформаторів струму, число яких дорівнює числу силових блоків "випрямлячінвертор". Крім цього, згідно з корисною моделлю кожний силовий блок "випрямляч-інвертор" містить локальний блок живлення, який має два вхідних й один вихідний каскад. Перший вхідний каскад виконаний на базі перетворювача "напруга-напруга" та підключений до двох силових виводів вхідної напруги, а другий вхідний каскад виконаний у вигляді перетворювача "струм-напруга" і підключений до вторинної обмотки відповідного трансформатора струму. Крім цього, згідно з корисною моделлю локальний блок управління кожного силового блока "випрямляч-інвертор" містить два незалежних каскади: перший - для управління транзисторами інвертора та байпасними транзисторами, а другий - тільки для управління байпасними транзисторами, причому кожний каскад підключений до локального блока живлення по окремим лініям живлення. Технічний результат застосування корисної моделі полягає у тому, що завдяки введенню у схему електропостачання додаткової системи електроживлення, що підключена від джерела безперебійного живлення, та містить другий блок живлення, схему розподілу електроенергії на базі послідовно з'єднаних трансформаторів стуму, які підключаються до відповідних вхідних каскадів локальних блоків живлення кожного силового блока "випрямляч-інвертор", живлення локальної системи управління та захисту силових блоків постійно здійснюється від двох незалежних джерел живлення, чим забезпечується безперебійність електроживлення системи управління та захисту силових блоків. На відміну від односторонньої схеми живлення (за аналогом) схема двостороннього живлення є більш стійкою в аварійних режимах, наприклад при пошкодженнях вхідних кіл силового блока. Крім цього, завдяки тому, що локальний блок управління містить два незалежних каскади, в силовому блоці "випрямляч-інвертор" забезпечується резервування й каналів управління байпасними IGBT-модулями. Таким чином, навіть при значних пошкодженнях силового блока резервні елементи управління забезпечать надійне вмикання IGBT-модулів байпасного кола та шунтування пошкодженого силового блока без переривання стуму навантаження. Таким чином підвищується ефективність аварійного байпасування силових блоків й відповідно підвищується надійність системи електропостачання в цілому. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями: фіг. 1 - функціональна схема силової частини системи електропостачання трифазної дугової печі; фіг. 2 - функціональна високовольтного перетворювача частоти з колами управління; фіг. 3 - функціональна схема одного з силових блоків "випрямляч-інвертор". Пропонована система електропостачання, відповідно до фіг. 1, містить високовольтний багаторівневий перетворювач частоти 1, що вхідними виводами А1, В1, С1 підключений до мережі високої напруги, а вихідними виводами А2, В2, С2 - до входу електропічного трансформатора 2, вихід якого підключений до трифазної дугової печі 3. Відповідно до фіг. 2, високовольтний багаторівневий перетворювач частоти 1 містить високовольтний багатообмотковий трансформатор 4 з первинною обмоткою 5 та з вторинними обмотками 6-14, що з'єднані за схемою "трикутник-авто", для забезпечення фазового зсуву трансформованої напруги, силові блоки "випрямляч - інвертор" 15-23, які вхідними виводами а, b, с підключені до відповідних виводів вторинних обмоток 6-14 трансформатора 4, а вихідними 2 UA 90505 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виводами з'єднуються послідовно таким чином. Послідовне з'єднання силових блоків 15, 18, 21 утворює першу фазу напруги регульованої частоти, послідовне з'єднання силових блоків 16, 19, 22 утворює другу фазу напруги регульованої частоти, послідовне з'єднання силових блоків 17, 20, 23 утворює третю фазу живлення напруги регульованої частоти. Перші вихідні виводи (L1) силових блоків 15, 16, 17 з'єднуються у загальну точку. Другі вихідні виводи (L2) силових блоків 21, 22, 23 через вхідні кола датчиків струмів 24, 25, 26, та датчика напруги 27 з'єднані з вихідними виводами А2, В2, С2 перетворювача частоти. Слід зазначити, що змінюючи кількість послідовно з'єднаних однотипних силових блоків "випрямляч-інвертор", можна забезпечити різний рівень вихідної напруги перетворювача. Так, наприклад, при вихідній напрузі силового блока 690 В для забезпечення номінальної лінійної вихідної напруги 6 кВ перетворювач повинен містити по 5 силових блоків "випрямляч-інвертор" в кожній фазі. Для забезпечення номінальної вихідної лінійної напруги 10 кВ в кожній фазі перетворювача повинно знаходитись відповідно 9 силових блоків "випрямляч-інвертор". Для резервування силових блоків рекомендується в кожній фазі перетворювача частоти встановлювати додатковий силовий блок "випрямляч-інвертор". Управління перетворювачем частоти здійснюється системою автоматичного управління 28, що живиться від низьковольтної мережі через послідовно з'єднані джерело безперебійного живлення 29 та перший блок живлення 30. Входом системи управління являються вторинні сигнали з датчиків струмів 24, 25, 26 та з датчика напруги 27, а виходом - керуючі сигнали, що подаються на блок формування та розподілу імпульсів керування 31, який з'єднується з кожним силовим блоком "випрямляч-інвертор" інформаційним каналом, наприклад оптоволоконним кабелем. Вхідні виводи другого блока живлення 32 підключені до джерела безперебійного живлення 29, а вихідні його виводи підключені до послідовно з'єднаних первинних обмоток трансформаторів струму 33-41, утворюючи таким чином, замкнений струмопровідний контур. Кількість трансформаторів струму відповідає кількості силових блоків "випрямляч-інвертор". Вторинні обмотки трансформаторів струму 33-41 підключені до виводів I1, I2 відповідних силових блоків. Відповідно до фіг. 3, кожний силовий блок "випрямляч-інвертор" містить вхідні запобіжники 42-44, перші виводи яких утворюють вхідні виводи а, b, с силового блока, послідовно з'єднані некерований трифазний мостовий випрямляч, що виконаний на шести діодних модулях 45-50, ємнісну ланку 51 та однофазний автономний інвертор напруги, що виконаний на чотирьох IGBTмодулях зі зворотними діодами 52-55. Між вихідними виводами L1, L2 включено байпасне коло, що виконано на базі двох зустрічно-послідовно з'єднаних IGBT-модулів зі зворотними діодами 56, 57. Перший вхідний каскад локального блока живлення 58 підключений до виводів a, b вхідної напруги, другий каскад підключений до виводів I1, I2. Виводи керування IGBT-модулів мостового інвертора 52-55 та IGBT-модулів байпасного кола 56, 57 підключені до першого каскаду локального блока управління 59, крім того другий каскад цього блока підключений до виводів керування IGBT-модулів байпасного кола 56, 57, причому обидві каскади локального блока управління 59 підключені до локального блока живлення 58 окремою лінією. Система електропостачання дугової печі працює таким чином. Після подачі трифазної живлячої напруги на вхідні виводи А1, В1, С1 високовольтного багаторівневого перетворювача частоти 1 на первинній обмотці 5 трансформатора 4 і відповідно на вторинних його обмотках 6-14 з'являється знижена напруга, що може дорівнювати наприклад 660 В, яка подається на вхідні виводи а, b, с відповідних силових блоків "випрямлячінвертор" 15-23. За допомогою діодних модулів некерованого трифазного випрямляча 45-50 ця напруга випрямляється та подається на ємнісну ланку 51. За допомогою IGBT-модулів 52-55 мостового однофазного автономного інвертора напруги, імпульси управління якими формуються блоком формування та розподілу імпульсів керування 31 та локальним блоком управління 59, випрямлена напруга перетворюється у напругу, модульовану методом широтноімпульсної модуляції заданої частоти і подається у відповідні інтервали часу на виводи L1, L2 силових блоків "випрямляч-інвертор" 15-23. Так як силові блоки 15, 18, 21 першої фази та силові блоки 16, 19, 22 другої фази та силові блоки 17, 19, 23 третьої фази включені послідовно, то на виводах А2, В2, С2 високовольтного багаторівневого перетворювача частоти 1 формується високовольтна напруга заданої частоти, що є сумою вихідних напруг силових блоків "випрямляч-інвертор", працюючих в фазі перетворювача частоти 1. Ця напруга має квазі-синусоїдальну форму і подається на первинну обмотку електропічного трансформатора 2 та через його вторинну обмотку до дугової печі 3. Система автоматичного управління 28, відповідно до стадій технологічного процесу дугової печі 3 видає керуючі сигнали блока формування та розподілу імпульсів керування 31 на 3 UA 90505 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 регулювання частоти й амплітуди вихідної напруги високовольтного багаторівневого перетворювача частоти 1, завдяки чому регулюється потужність дугової печі 3. Також система автоматичного управління 28 здійснює контроль вихідних параметрів високовольтного багаторівневого перетворювача частоти за допомогою датчиків струму 24, 25, 26 й датчика напруги 27. Живлення системи автоматичного управління 28 здійснюється від джерела безперебійного живлення 29, який постійно підключений до низьковольтної мережі змінного струму. Перший блок живлення 30 перетворює вихідну напругу джерела безперебійного живлення 29 в напругу, що необхідна для роботи системи автоматичного управління 28 і блока формування та розподілу імпульсів керування 31. Другий блок живлення 32 формує стабілізований стум високої частоти. Завдяки з'єднанню первинних обмоток трансформаторів струму 33-41 у замкнений контур, стабілізований струм, що формується другим блоком живлення 32 проходить по первинним та вторинним обмоткам цих трансформаторів струму 33-41 та по другому каскаду локального блока живлення 58 кожного силового блока "випрямляч-інвертор" 15-23, перетворюючись в локальному блоці живлення 58 у напругу, яка необхідна для живлення обох каскадів локального блока управління 59. Таким чином, у нормальному режимі роботи високовольтного багаторівневого перетворювача частоти 1 живлення локальних блоків управління 59 в кожному силовому блоці "випрямляч-інвертор" 15-23 здійснюється від двох незалежних джерел електроенергії: перше коло вхідної напруги силового блока "випрямляч-інвертор", друге - коло другого блока живлення 32, чим забезпечується надійне електроживлення системи управління високовольтного багаторівневого перетворювача частоти 1. Блок формування та розподілу імпульсів керування 31 реалізує багаторівневе широтноімпульсне управління однофазними силовими блоками "випрямляч-інвертор" 15-23 через локальні блоки управління 59 кожного силового блока 15-23. Блок формування та розподілу імпульсів керування 31 здійснює формування керувальних команд, що реалізують плавне регулювання частоти і значення вихідної напруги та інші необхідні функції. Локальні блоки управління 59 контролюють стан силового блока "випрямлячінвертор" за основними наступними параметрами: - температура IGBT-модулів 52-55; - температура діодних модулів 45-50; - значення вихідної напруги; - значення випрямленої напруги; - стан байпасних IGBT-модулів 56, 57; У нормальному режимі роботи IGBT-модулі байпасного кола 56, 57 кожного силового блока 15-23 відключені. При виході любого з контролюючих параметрів того чи іншого силового блока за встановлені границі, локальний блок керування 59 фіксує відповідну несправність та дає команду на відключення IGBT-модулів 52-55 інвертора та включення IGBT-модулів 56, 57. Таким чином після відключення IGBT-модулів 52-55 інвертора, та включення IGBT-модулів 56, 57 дефектний силовий блок виводиться з роботи, а струм навантаження проходить через байпасні IGBT-модулі 56, 57, забезпечуючи при цьому безперервність силової напруги. Одночасно з вищевказаними діями локальний блок управління 59 передає інформацію до блока формування та розподілу імпульсів керування 31 для коригування режиму роботи високовольтного багаторівневого перетворювача частоти 1. При пошкодженнях силового блока "випрямляч-інвертор", наприклад коротке замикання на вхідних виводах а, b, с, пробиття IGBT-модулів 52, 55, або пошкодження кіл першого каскаду локального блока живлення 58, або першого каскаду локального блока управління 59, управління байпасними IGBT-модулями 56, 57 буде здійснювати другий каскад локального блока управління 59, що буде отримувати живлення по окремій лінії від другого каскаду локального блока живлення 58. Можливість здійснення та промислова придатність корисної моделі визначається тим, що запропонована система електропостачання може бути виготовлена відповідно до приведеного опису та схем. Джерела інформації: 1. Патент ЕР1848248, МПК Н05В 7/00, Н05В 7/144. Arc furnace power supply / SAGER D., Suh Y, Lee Y.J., Nordborg H., Заявник та патентовласник ABB SCHWEIZ, № EP20060405172, заявл. 21.04.2006; опубл. 24.10.2007. 2. Патент WO2009087176, МПК Н02М 5/12, Н05В 7/144. Electronic power supply device for arc furnace powered by alternating current / Ladoux P., Postiglione G., Заявники та патентовласники 4 UA 90505 U 5 Toulouse Inst Nat Polytech, Ladoux P, Postiglione G., № WO2009EP50140, заявл. 08.01.2008; опубл. 16.07.2009. 3. Патент US5986909 МПК Н02М 5/458. Multiphase power supply with plural series connected cells and failed cell bypass / Hammond P., Aiello M., Зaявник та патентовласник ROBICON Corp, № US 19980082888, заявл. 21.05.1998; опубл. 16.11.1999. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 30 35 40 45 Система електропостачання трифазної дугової печі, що містить високовольтний багаторівневий перетворювач частоти, що вхідними виводами підключений до мережі високої напруги, а вихідними виводами до первинної обмотки електропічного трансформатора, вторинна обмотка якого підключена до трифазної дугової печі, причому високовольтний перетворювач частоти містить багатообмотковий трансформатор, первинна обмотка якого є входом високовольтного багаторівневого перетворювача частоти, а вторинні обмотки живлять силові блоки "випрямлячінвертор", які своїми вихідними виводами в кожній фазі з'єднуються послідовно, причому кількість послідовно з'єднаних силових блоків та відповідно вторинних обмоток трансформатора визначається рівнем номінальної вихідної напруги, крім того перші виводи перших з послідовно з'єднаних силових блоків "випрямляч-інвертор" різнойменних фаз з'єднуються у загальну точку, другі вихідні виводи попередніх силових блоків в кожній фазі з'єднано з першими вихідними виводами наступних силових блоків, причому другі виводи останніх з послідовно з'єднаних силових блоків "випрямляч-інвертор" різнойменних фаз утворюють вихідні виводи перетворювача частоти, причому кожен з силових блоків "випрямляч-інвертор" містить вхідні запобіжники, некерований мостовий випрямляч, що виконаний на шести діодних модулях, ємнісну ланку та однофазний мостовий інвертор, який виконаний у вигляді однофазної мостової схеми на IGBT-модулях зі зворотними діодами і байпасне коло, що включено між першим та другим вихідними виводами силового блока та виконано на базі зустрічно-послідовного з'єднання двох IGBT-модулів зі зворотними діодами, блок формування та розподілу імпульсів керування перетворювачем частоти з одного боку підключений до системи автоматичного управління дугової печі, а з іншого боку - до локальних блоків управління кожного силового блоку "випрямляч-інвертор", також система автоматичного управління зв'язана з датчиками вихідних струмів та вихідної напруги перетворювача частоти, по лінії живлення система автоматичного управління підключена до низьковольтної мережі через послідовно з'єднані джерело безперебійного живлення та перший блок живлення, яка відрізняється тим, що містить другий блок живлення кіл управління, який виконаний за схемою стабілізованого джерела струму та вхідними виводами з'єднаний з вихідними виводами джерела безперебійного живлення, а вихідними виводами підключений до замкненого струмопровідного контуру, який утворений послідовно з'єднаними первинними обмотками трансформаторів струму, число яких дорівнює числу силових блоків "випрямляч-інвертор", крім того кожний силовий блок "випрямляч-інвертор" містить локальний блок живлення, який має два вхідних й один вихідний каскад, причому перший вхідний каскад виконаний на базі перетворювача "напруга-напруга" та підключений до двох силових виводів вхідної напруги, а другий вхідний каскад виконаний у вигляді перетворювача "струм-напруга" і підключений до вторинної обмотки відповідного трансформатора струму, локальний блок управління кожного силового блока "випрямляч-інвертор" має два незалежних каскади, причому перший каскад використовується для управління IGBT-модулями інвертора та байпасними IGBT-модулями, а другий - тільки для управління байпасними IGBT-модулями, причому кожний каскад підключений до локального блока живлення по окремим лініям живлення. 5 UA 90505 U 6 UA 90505 U 7 UA 90505 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8