Спосіб керування силовим перетворювачем для живлення постійним струмом електродугової печі

1. Способ управления силовым преобразователем для питания постоянным током электродуговой печи, содержащим по меньшей мере один трансформатор, первичная обмотка которого включена в трехфазную сеть переменного тока и, по меньшей мере, одна вторичная обмотка питает трехфазным током выпрямители, которые подают в нагрузку выпрямленные напряжение (Uдуг) и ток (Ідуг), причем выпрямители содержат возвратную схему и управляемые полупроводниковые приборы для каждой вторичной обмотки, отличающийся тем, что управляемые полупроводниковые приборы включают управляющими сигналами, фазы (a 1 и a 2) которых по существу изменяют, увеличивая длительность состояния проводимости возвратной схемы и, соответственно, умень C2 (54) СПОСІБ КЕРУВАННЯ СИЛОВИМ П ЕРЕТВОРЮВАЧЕМ ДЛЯ ЖИВЛЕННЯ ПОСТІЙНИМ СТРУМОМ ЕЛЕКТРОДУГОВОЇ П ЕЧІ 35575 ственно вольтамперная характеристика (зависимость напряжения Vаrc от тока Iаrc ) и зависимость реактивной мощности (Q) от активной мощности (Р). На характеристиках представлены различные рабочие точки: СС – режим короткого замыкания, F – режим, соответствующий плавлению металлолома, и А – режим очистки металлолома. Из характеристик ясно, что в печах подобного типа, питающихся переменным током, потребляется практически постоянная мощность (DР очень мала), но при этом в широких пределах изменяется реактивная мощность (DQ) и ток (DI), т.е., за исключением режима короткого замыкания, печь работает при почти постоянном уровне активной мощности. Большие изменения потребляемой реактивной мощности могут, в частности, вызвать сильные флуктуации напряжения в питающей сети, которые для последней являются помехой, проявляющейся, например, в виде "мерцания", т.е. скачков напряжения в диапазоне 0…30 Гц, вызывающих мерцание света. Последние несколько лет наблюдается тенденция применять вместо переменного тока питание постоянным током, включив между последним в питающей цепи трансформатором и электродами выпрямитель. Питание печи постоянным током имеет два существенных преимущества, которые являются основой всех прочих его преимуществ, а именно: – положительным полюсом электрической дуги является сам металлический лом, твердый или расплавленный, при этом подвижный электрод (один или более) образует отрицательный полюс. Рассеиваемая энергия распределена по дуге неравномерно, причем она больше у положительного полюса, и металлолом разогревается больше, чем электрод; – броски тока из-за коротких замыканий в электрической дуге, которые часто происходят во время пуска печи и плавления металлолома, ограничиваются выпрямителем. Это приводит к уменьшению расхода электродов, снижению уровня помех, проникающих в питающую сеть, особенно в виде мерцаний, и к повышению производительности печи. Применявшиеся до сих пор силовые выпрямительные преобразователи относятся к типу преобразователей, схематично показанному на фиг.4. Первичная обмотка 9 питающего трансформатора передает энергию в одну или более вторичных обмоток 10, 11, каждая из которых подключена к соответствующему выпрямителю 12, собранному по схеме обычного «моста Греца» на тиристорах. Одна вы ходная клемма каждого моста подключена к общему подвижному электроду 7,а другая вы ходная клемма, обычно через катушку индуктивности 13, подключена к соответствующему электроду 14, размещенному в металлоприемнике или подовой части печи и находящемуся в непосредственном контакте с металлоломом 6. Мост Греца 12, схематично изображенный на други х рисунках, подробно показан на фиг. 5. Он представляет собой три группы последовательно соединенных тиристоров 15 и 16, объединенных в “двойную параллельную” (или “двухтактную трехфазную”) схему, в которой соединены друг с др угом катоды первого тиристора каждой группы и, аналогично, аноды второго тиристора каждой группы, а остальные электроды подключены к одной и той же многофазной электрической цепи (“звездой” или “треугольником”), причем последовательно включенные тиристоры отпираются сигналами с одинаковыми для всех групп фазовыми углами a 1 и a 2, соответственно. Для ограничения уровня гармоник, проникающи х в питающую сеть, обычно применяется несколько условно-шестифазных мостов Греца, каждый из которых питается вторичной обмоткой со своим фазовым сдвигом. На фиг. 4 показаны две вторичные обмотки 10 и 11, в которых относительный сдвиг фаз в 30° получен благодаря соединению одной обмотки "звездой", а другой – "треугольником"; эти обмотки питают два моста Греца, однако в общем виде система может состоять из трех мостов (с фазовыми углами -20°, 0°, +20°), четырёх мостов (с фазовыми углами 0°, +15°, +30°, +45°) и т.д., где каждый из мостов Греца представляет собой элементарный условношестифазный выпрямитель. Несмотря на то, что в дальнейшем описании рассматривается система только с двумя выпрямителями, в частности, с двумя мостами Греца, следует помнить, что данное изобретение может быть обобщено на произвольное количество выпрямителей, питающихся вторичными обмотками со сдвигом фаз. Фиг. 6 и 7 соответствуют фиг. 2 и 3 для случая питания печи постоянным током. Из графиков видно, что устройство работает при постоянной величине тока, но в отличие от устройств, питающи хся переменным током, активная мощность при этом изменяется в широких пределах. Уменьшаются, но все же остаются значительными колебания реактивной мощности Q. В среднем, потребление реактивной мощности остаётся на высоком уровне, что обычно подразумевает использование регулятора нагрузки 17 для питающего трансформатора и относительно большой компенсаторной батареи 18. Таким образом, устройства постоянного тока не дают значительных преимуществ по сравнению с устройствами переменного тока. Изменение реактивной мощности (DQ) при переходе от одного режима к другому всё же меньше, чем при питании переменным током, а, следовательно, уменьшаются флуктуации напряжения на входе (со стороны питающей сети) и мерцания в сети. Однако, в случае маломощной сети, эти флуктуации, прямо пропорциональные потребляемой реактивной мощности и обратно пропорциональные мощности короткого замыкания, часто остаются слишком большими и вызывают сильные "мерцания", что так же, как для большинства схем питания переменным током, требует применения исключительно дорогих корректирующих устройств ("анти фликкеры", или реакторы, управляемые тиристорами). Сосредоточив внимание на мгновенной потребляемой реактивной мощности, отметим, однако, значительно меньшие величины постоянного тока, так как преобразователь осуществляет регулирование тока с быстродействием, обычно достаточным для снижения бросков тока, вызванных коротким замыканием, до пренебрежимого уровня. 2 35575 Задача данного изобретения – устранение существующи х недостатков питающи х устройств как переменного тока, так и постоянного тока путем использования новой конструкции выпрямительного преобразователя, которая существенно снижает потребление реактивной мощности, улучшает вольт-амперную характеристику питаемой постоянным током дуги и, в то же время, уменьшает общую стоимость преобразователя изза упрощения конструкции питающего трансформатора (больше нет необходимости в его регулировании) и уменьшает габарит компенсаторной батареи, как правило, вдвое. Поставленная задача решена тем, что в силовом преобразователе для питания постоянным током электродуговой печи, содержащем по меньшей мере один трансформатор, первичная обмотка которого включена в трёхфазную сеть переменного тока, а, по меньшей мере, одна вторичная обмотка питает трёхфазным током выпрямитель, собранный на управляемых полупроводниковых приборах, вы ходные напряжение и ток которого подаются в нагрузку, согласно изобретению выпрямитель содержит вентильную схему, а на упомянутые управляемые полупроводниковые приборы подаются отпирающие сигналы, фаза которых по существу, изменяется, увеличивая длительность состояния проводимости вентильной схемы, при уменьшении длительности состояния проводимости управляемых полупроводниковых приборов и наоборот, так, чтобы в нагрузку отдавалась по существу постоянная активная мощность или постоянная реактивная мощность, несмотря на изменения импеданса нагрузки. Первое дополнительное отличие заключается в том, что вентильная схема представляет собой диод, благодаря чему указанный преобразователь является нереверсивным. Второе дополнительное отличие заключается в том, что трансформатор содержит по меньшей мере две вторичные обмотки, а соответствующие выпрямители, подключенные к вторичным обмоткам, объединены в асимметричную схему с неравными соответствующими фазами управляющи х сигналов. Третье дополнительное отличие заключается в том, что фазы управляющих сигналов выбраны с целью минимизировать в данной рабочей точке потребление реактивной мощности, при этом её среднее значение за рабочий цикл становится минимальным. Четвёртое дополнительное отличие заключается в том, что фазы управляющих сигналов выбраны с целью минимизировать при данном выпрямленном токе отклонения реактивной мощности от средней величины, особенно проявляющиеся в виде мерцаний. Пятое дополнительное отличие заключается в том, что фазы управляющих сигналов выбраны так, что в случае изменения выпрямленного тока среднее потребление реактивной мощности остаётся по существу постоянным. Шестое дополнительное отличие заключается в том, что выпрямители объединены в "параллельную асимметричную" схему. Седьмое дополнительное отличие заключается в том, что преобразователь содержит устройст во для циклического изменения направления асимметрии между соответствующими выпрямителями. Восьмое дополнительное отличие заключается в том, что преобразователь содержит устройство для регулирования токов соответствующи х выпрямителей с тем, чтобы сделать эти токи, по существу, одинаковыми. Девятое дополнительное отличие заключается в том, что управляемые полупроводниковые приборы выпрямителя, соединённого с каждой вторичной обмоткой, образуют мостовую схему Греца, при этом одна выходная клемма моста соединена с отрицательным электродом нагрузки, таким как подвижный электрод злектродуговой печи, а другая выходная клемма – с соответствующим положительным электродом, таким как топочный или подовый электрод печи, при этом, вентильная схема включена между выходными клеммами каждой вторичной обмотки трансформатора и соответствующего моста. Поставленная задача также решена тем, что силовой преобразователь, содержащий несколько выпрямительных устройств, трансформаторы которых связаны друг с др угом некоторым фазовым сдвигом, причём каждое выпрямительное устройство содержит, по меньшей мере, один трансформатор, первичная обмотка которого включена в трёхфазную сеть переменного тока, а, по меньшей мере, одна вторичная обмотка питает трёхфазным током выпрямитель, собранный на управляемых полупроводниковых приборах, выходные напряжение и ток которого подаются в нагрузку, согласно изобретению содержит вентильную схему, а на упомянутые управляемые полупроводниковые приборы подаются отпирающие сигналы, фаза которых по существу изменяется, увеличивая длительность состояния проводимости вентильной схемы при уменьшении длительности состояния проводимости управляемых полупроводниковых приборов и наоборот так, чтобы в нагрузку отдавалась, по существу, постоянная активная мощность или постоянная реактивная мощность, несмотря на изменения импеданса нагрузки. Предлагаемый выпрямительный преобразователь может обеспечивать практически постоянную активную мощность, однако сохраняет низкое потребление реактивной мощности, и при этом не используются форсированные режимы ни самого преобразователя, ни связанного с ним трансформатора. Также появляется возможность путем использования данного изобретения очень просто изменять зависимость реактивной мощности от активной (Q/P) для её оптимизации под конкретный режим работы печи. Появляется, например, возможность получить зависимость, которая минимизирует потребление реактивной мощности в определенной рабочей точке или, напротив, зависимость, которая минимизирует отклонения потребляемой реактивной мощности от её среднего значения, что особенно важно в случае маломощной питающей сети, для которой уменьшение мерцаний – одна из основных задач как с точки зрения эффективности (минимизации помех, проникающих в сеть), так и с точки зрения стоимости установки (не нужны уст 3 35575 ройства, подавляющие мерцания). Кроме этого, рабочие характеристики печи могут быть выбраны так, что потребление реактивной мощности остается постоянным, несмотря на любые колебания тока, особенно в случае изменения сопротивления нагрузки. Сущность изобретения поясняется подробным описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 – известная схема включения электродуговой печи непосредственно в сеть переменного тока; фиг. 2 и 3 – соответственно, вольт-амперная характеристика и зависимость реактивной мощности от активной мощности для известной конструкции электродуговой печи, питаемой переменным током; фиг. 4 – известная схема включения электродуговой печи, которая питается постоянным током от преобразователя; фиг. 5 – известная схема моста Греца; фиг. 6 и 7 – соответственно, вольт-амперная характеристика и зависимость реактивной мощности от активной мощности злектродуговой печи, питающейся постоянным током; фиг. 8 – схема включения злектродуговой печи постоянного тока по данному изобретению; фиг. 9 и 11 – известные схемы объединения нескольких одинаковых преобразователей, связанных друг с другом некоторым фазовым сдвигом; фиг. 12 и 13 – соответственно, вольтамперная характеристика и зависимость реактивной мощности от активной мощности электродуговой печи, питаемой постоянным током от преобразователя по данному изобретению, при этом закон регулирования углов управления для мостовой схемы показан в нижней части фиг. 13; фиг. 14 – различные зависимости реактивной мощности от активной мощности, которые можно получить при соответствующем выборе закона регулирования управляющих фаз, адаптировав таким образом работу печи для различных технологических условий; фиг. 15 – семейство зависимостей реактивной мощности от активной при изменениях выпрямленного тока, вызванных изменением импеданса нагрузки. Основная идея изобретения – объединить обычный тиристорный преобразователь с вентильным устройством и обеспечить такой закон регулирования, при котором стабилизируется активная мощность, оптимальная для параметров электрической дуги (повышение эффективности горения) и для преобразователя. Вентильное устройство – это известное устройство, которое проводит ток в одном направлении и не проводит в другом, включенное так, чтобы можно было накапливать электрическую энергию в индуктивных элементах в течение периода проводимости тиристоров преобразователя, а затем выделять накопленную энергию в нагрузке в течение последующего периода, когда тиристоры закрыты. В предлагаемом изобретении используется такое вентильное устройство, которое позволяет изменять соотношение периодов проводимости и непроводимости основных тиристоров (в соответствии с фазой управления) так, что период проводимости вентильного устройства возрастает с уменьшением аналогичного периода основных тиристоров. Использование в изобретении вентильного устройства такого типа позволяет увеличивать постоянный ток, когда напряжение постоянного тока падает (и наоборот), при этом увеличение угла управления тиристоров приводит к уменьшению угла проводимости тиристоров (точно так же, между этими величинами должна существовать обратная зависимость). Таким образом, достигается работа печи с постоянной активной мощностью, и при этом не перегружаются ни тиристоры, ни преобразователь. В рассматриваемом примере, касающемся электродуговой печи, в качестве вентильного устройства используются диоды 20 между нулевой точкой вторичной обмотки 10 трансформатора и каждой выходной клеммой моста Греца (см. поз. 19 на фиг. 8), причём, эти диоды смещены в направлении, противоположном направлению тока в диодах моста Греца. Использование в вентильном устройстве диодов вместо тиристоров делает преобразователь нереверсивным. На первый взгляд, это может показаться недостатком, но для данного приложения это на самом деле серьёзное достоинство. Преобразователь на базе обычного моста Греца это "двухквадрантный реверсивный" преобразователь (однополярный постоянный ток и двухполярное постоянное напряжение); это даёт возможность эффективно регулировать ток в случае короткого замыкания в дуге, уменьшая выбросы тока до пренебрежимых величин; такая ситуация, несомненно, хороша для питающей энергосистемы, но невыгодна для электродуговой печи, где короткое замыкание должно быстро исчезать в результате плавления металлолома под действием этого короткого замыкания (в системах, использующи х питание печи непосредственно переменным током, выбросы тока, возникающие при коротком замыкании, ускоряют процесс плавления металлолома, однако ценой скачков реактивной мощности в сети, что влечёт за собой высокие штрафы), Использование в данном изобретении нереверсивного преобразователя позволяет одновременно решить две задачи: во время короткого замыкания в дуге, возникающий благодаря нереверсивному характеру преобразователя импульс тока, ускоряет плавление металлолома, но это не приводит к резкому увеличению реактивной мощности в питающей сети, поскольку в данном случае импульсный ток протекает только через диоды вентильной схемы, Более того, возникшим броском тока можно управлять и оптимизировать его в соответствии с параметрами электродов, для уменьшения их износа. Кроме того, изобретение позволяет увеличить преимущества от использования нескольких вторичных обмоток одного трансформатора, таких, как 10 и 11, включенных асимметрично, образуя, например, "параллельную асимметричную схему". Совместное использование асиметричного вклю 4 35575 рию, а именно, максимальную величину ½a 1 -a 2½. Одновременно (а здесь имеется возможность отслеживать две функции, поскольку на два параметра a 1 и a 2 можно воздействовать независимо) регулируется постоянный ток в нагрузке (или активная мощность). На фигура х 12 и 13 показаны рабочие характеристики схемы, изображённой на фиг. 8, для первого примера реализации изобретения (минимальное среднее потребление реактивной мощности). Фиг. 12 - это вольт-амперная характеристика, которая весьма схожа с характеристикой для случая питания печи непосредственно переменным током, что означает работу при постоянном уровне мощности (заштрихованная область показывает улучшение характеристики по сравнению с обычным выпрямительным преобразователем). Фиг. 13 - зависимость реактивной мощности от активной для данной рабочей точки, то есть для фиксированного значения постоянного тока Iarc (или выпрямленного тока Id) и различных значений эквивалентного сопротивления дуги. Из графика видно, что потребление реактивной мощности во всех случаях составляет не более, чем примерно треть максимальной активной мощности, что является существенным выигрышем в сравнении с известными системами питания как постояного, так и переменного тока (сравните фиг. 3 и 7); в нижней части фиг. 13 показан закон изменения углов управления a 1 и