Електронна перемикальна схема та спосіб подачі електричної енергії в електропіч змінного струму

1. Електронна перемикальна схема для подачі електричної енергії щонайменше в один електрод (11) електропечі змінного струму, зокрема для плавлення металу, яка містить включені послідовно трансформатор (6) для забезпечення живильної напруги для електропечі з електромережі (1) і включений між трансформатором (6) та електродом (11) регульований перетворювач (8) змінного струму для регулювання струму через електрод (11), яка відрізняється тим, що передбачений пристрій (4) вимірювання струму для вимірювання величини струму, що проходить через електрод, шунтувальний розділювальний вимикач (9), який включений паралельно регульованому перетворювачу (8) змінного струму, і керуючий пристрій (14) для розмикання і замикання шунтувального розділювального вимикача (9) залежно від величини струму, який протікає через електрод (11). 2. Електронна перемикальна схема за п. 1, яка відрізняється тим, що між трансформатором (6) та регульованим перетворювачем (8) змінного струму включений перший розділювальний вимикач (10а) і між регульованим перетворювачем (8) 2 (19) 1 3 Винахід стосується електронної перемикальної схеми та способу для живлення щонайменше одного електрода електропечі змінного струму, зокрема, для плавлення металу за допомогою підведення енергії. Винахід застосовний до електропечей для виробництва кольорових металів, феросплавів, технологічних шлаків, сталі, а також для рафінування шлаків. Така електронна перемикальна схема для живлення електропечі змінного струму відома з викладеної заявки Німеччини DE 2 034 874. Розкрита електронна перемикальна схема підключена між електромережею і щонайменше одним електродом електропечі. Вона містить послідовну схему, яка складається з вмикача/вимикача електропечі, трансформатора для забезпечення живильної напруги для електропечі з електромережі і включеного між трансформатором і електродом регульованого перетворювача змінної напруги для регулювання струму, що пропускається через електрод. Регульований перетворювач змінної напруги звичайно складається з двох антипаралельно включених тиристорів і реалізовує регулювання напруги у вигляді фазового керування. При цьому тиристори, які утворюють потужнішу частину перетворювача напруги, звичайно вибираються для усього робочого діапазону електропечі, тобто для дуже великого діапазону струмів. Спеціально в потужних печах, які працюють з великими живильними напругами, необхідні, як правило, тиристори дуже дорогого конструктивного ряду внаслідок дуже високих напруг запирання тиристорів. Однак тиристори з великими напругами запирання, як правило, не можуть перемикати великі струми; тому для перемикання великих струмів, які можуть цілком виникати у визначенні робочі періоди, зокрема в резистивному режимі електропечі, необхідно включати паралельно декілька окремих тиристорів або навіть цілі регульовані перетворювачі змінної напруги. Тільки так можна пропускати необхідні щонайменше в окремі робочі періоди великі струми електродів. Тому для забезпечення надійної роботи електропечі у всіх робочих режимах, зокрема, також при високих струмах електродів необхідні звичайно дорогі і складні схеми напівпровідникових перетворювачів електроенергії. Виходячи з цього рівня техніки, в основу винаходу встановлена задача модифікації відомої електронної перемикальної схеми та способу для подачі, електроенергії в електропіч змінного струму із спрощенням її конструкції і вартості так, щоб ефективно забезпечити роботу електропечі у всіх робочих режимах, зокрема, також при великих струмах електрода. Ця задача вирішена за допомогою ознак пункту 1 формули винаходу. Відповідно до них. електронна перемикальна схема, згідно з винаходом, для живлення електропечі змінного струму характеризується тим, що передбачений пристрій для вимірювання величини струму, що протікає через електрод, шунтувальний розділювальний вимикач, який включений паралельно регульованому перетворювачу змінної напруги, i керуючий пристрій 86999 4 для розмикання і замикання шунтувального розділювального вимикача залежно від величини струму, що протікає через електрод. Вказані характерні ознаки є дуже простими і тому можуть бути реалізовані з невеликими витратами. У конфігурації, згідно з винаходом, вони переважно забезпечують шунтування регульованого перетворювача змінної напруги при небезпечному перевантаженні, тобто під час робочих режимів, які вимагають особливо великого струму електрода. Ці робочі стани, такі як. наприклад, резистивнийрежим із зануреними електродами і без електричної дуги, переважно не вимагають спеціального регулювання струму електрода за допомогою регульованого перетворювача змінного струму; в цей час його робота не обов'язкова і його можна шунтувати, згідно з даним винаходом. В інших робочих режимах електропечі, наприклад, під час резистивного режиму з електричної дуги, шунтувальний розділювальний вимикач, згідно з винаходом, розмикається, що призводить до того, що в цьому випадку електричний струм проходить через регульований перетворювач змінного струму і може ним регулюватися. Звичайно, величина струму, що пропускається через електрод під час роботи з електричною дугою менше, ніж під час резистивного режиму без електричної дуги. На основі здійснюваного за допомогою шунтувального розділювального вимикача обмеження струму через регульований перетворювач змінного струму можна його виконувати переважно набагато менше, простіше та економічніше без обмежень для роботи електропечі. Передбачення додаткових розділювальних вимикачів безпосередньо перед і після регульованого перетворювача змінного струму забезпечує ту перевагу, що при замкненому шунтувальному розділювальному вимикачі, тобто коли регульований перетворювач змінного струму шунтований, його можна витягувати з електронної перемикальної схеми для виконання, наприклад, технічного обслуговування, без переривання струму електрода і тим самим роботи електропечі. За рахунок передбачення, згідно з винаходом, шунтувального розділювального вимикача забезпечується дуже просте та економічне узгодження електронної перемикальної схеми з різними робочими режимами електропечі, які виникають внаслідок різних металургійних вимог. Крім того, вказана вище задача вирішена за допомогою способу, згідно з винаходом, для подачі електроенергії в електропіч змінного струму, відповідно, в електрод. Переваги цього способу відповідають перевагам, вказаним вище застосовно до електронної перемикальної схеми, згідно з винаходом. Переважні варіанти виконання як електронної перемикальної схеми, так і способу, згідно з винаходом, є предметом залежних пунктів формули винаходу. Нижче наводиться опис 4 фігур, на яких зображено: фіг. 1 - електронна перемикальна схема, згідно з винаходом; фіг. 2 - типова діаграма напруги, струму і по 5 86999 6 тужності (U-I-P) для відновної електропечі; ваному перетворювачу 8 змінного струму і. не фіг. 3 - розріз електрода і розплаву в електрообов'язково, паралельно також першому і другому печі, а також відповідна схема заміщення для цієї розділювальному вимикачу 10а та 10b, шунтуваділянки електродного струму; і льним розділювальним вимикачем 9, керування фіг. 4 - діаграма, за фіг. 2, з додатково зобраяким здійснюється за допомогою керуючого приженими різними робочими діапазонами електрострою 14. Він керує шунтувальним розділювальпечі і зображеним граничним значенням струму. ним вимикачем 9 залежно від виміряної за допоНижче наводиться докладний опис винаходу могою пристрою 4 вимірювання струму величини на прикладах виконання з посиланнями на вказані струму, що протікає через електрод. Керуючий фігури. пристрій 14 може бути виконаний у вигляді керуЗвичайно, для плавлення сталі застосовують вання з програмованою пам'яттю, керуючого обчиелектропечі з трьома або шістьма електродами. У слювального пристрою або іншої системи на оснопечах з шістьма електродами електроди 11 вклюві комп'ютера. чають попарно для введення електроенергії в реПісля опису конструкції електронної перемизервуар 12 печі. У електропечах з 3 електродами кальної схеми нижче наводиться опис принципу дії електроди 11 включають звичайно за «ранцевою» електропечі у взаємодії з електронною перемикасхемою для зменшення реактивного опору лінії льною схемою, згідно з винаходом. великого струму. Як альтернативне рішення до На фіг. 2 показана типова діаграма напруги, «ранцевої» схеми можна використати також схему струму і потужності U-I-P для відновної електропез'єднання електродів зіркою. чі з 6 електродами. У цій діаграмі показані лінії 100 На фіг. 1 показана електронна перемикальна активної потужності залежно від вторинного струсхема, згідно з винаходом, для подачі електроенему, нанесеного на осі ординат, і вторинної напруги, ргії в електропіч. На фіг. 1 показана схема для нанесеної на осі абсцис. Сімейство 400 характеоднієї фази; відповідні перемикальні схеми можуть ристичних кривих характеризує опір печі. При бути передбачені для інших фаз. цьому повний опір короткого замикання електроЗабезпечення електропечей електроенергією печі представлений характеристичною кривою звичайно здійснюється з мережі 1 середньої на300. Ці характеристичні криві на діаграмі справедпруги. Між мережею середньої напруги та електливі лише для постійного кута запалювання тирисродом 11 електронна перемикальна схема містить торів. При більшому або меншому куті запалюванпічний трансформатор 6, який своєю первинною ня характеристичні лінії зсуваються по осі абсцис. стороною повернений до мережі середньої напруХарактеристичні лінії 4а та 4b показують макги, яка називається в подальшому також електросимально допустимий струм через електрод залемережею, а своєю вторинною стороною - до елекжно від вторинної напруги при включенні «зіркою» трода 11. Між електромережею 1 та первинною трансформаторних обмоток (4а) на первинній стостороною пічного трансформатора 6 в електронній роні і при включенні «трикутником» трансформаперемикальній схемі передбачена перша послідоторних обмоток (4b) на первинній стороні. Хараквна схема, яка містить пристрій 2 вимірювання теристична лінія 500 показує максимальний напруги, потужний пічний перемикач 3 для увірозрахунковий струм регульованого перетворювамкнення або вимкнення електропечі, пристрій 4 ча 8 змінного струму, згідно з винаходом, тобто вимірювання струму, не обов'язково, перемикач порогове значення струму. зірка-трикутник для вибіркового увімкнення перЗвичайно для електропечей розрізнюють завинної обмотки пічного трансформатора за схележно від процесу, матеріалів і продуктів, які замою зірки або трикутника, а також захист 6 від пестосовуються, по суті наступні металургійні робочі ренапруг. Перемикач із зірки на трикутник стани: забезпечує зсув діапазону розрахункової напруги a) резистивний режим із зануреними електропічного трансформатора 6, наприклад, на коефіцідами і без електричної дуги; єнт 1,73 вверх або вниз. b) резистивний режим з невеликою електричМіж вторинною стороною пічного трансформаною дугою; і тора 6 та електродом 11 в електронній перемикаc) режим з великою часткою електричної дуги. льній схемі передбачена друга послідовна схема, Нижче наводиться опис цих трьох робочих станів. яка складається з першого розділювального вимиРезистивний режим з навантаженими електкача 10а, регульованого перетворювача 8 змінного родами і без електричної дуги струму і другого розділювального вимикача 10b. Необхідна для процесу енергія створюється за Розділювальні вимикачі 10а та 10b забезпечують допомогою резистивного нагрівання шлаку. Електпри замкненому розділювальному вимикачі 9 вероди 11 значно занурені в шлак, при цьому глибиликого струму електричне відділення, відповідно, на занурення залежить, крім іншого, від діаметра видалення, регульованого перетворювач 8 змінноелектродів, однак, як правило, вона становить го струму, наприклад, для виконання технічного більше приблизно 200 мм. У цьому робочому реобслуговування, без переривання роботи печі, жимі електричний струм проходить через шлак, зокрема, резистивного режиму із зануреними елепри цьому електрична енергія за рахунок електриктродами і без електричної дуги. Регульований чного опору шлаку перетворюється в джоулеве перетворювач 8 змінного струму забезпечує регутепло, яке прискорює металургійні ендотермічні лювання електродного струму у вигляді фазового реакції, наприклад, відновлення, і плавлення. Рекерування. зистивний режим із зануреними електродами і без Згідно з винаходом, електронна перемикальна електричної дуги характеризується великими елесхема доповнена включеним паралельно регульоктродними струмами і відносно низькими вторин 7 86999 8 ними напругами, які лежать значно нижче 1000 В. 30-50МВт звичайно становлять понад 1000 В. У цьому робочому режимі при занурених елекПред'являються високі вимоги до регулювання тродах не існує особливих вимог до регулювання. електродного струму через не лінійну і стохастичТому електропіч може працювати звичайним чину поведінку електричних дуг з тенденцією до неном, тобто без регулювання струму. Тому при стабільності. У робочому режимі с) весь необхідцьому режимі рекомендується замикати шунтуваний електродний струм проходить через льний розділювальний вимикач 9 і тим самим шунрегульований перетворювач 8 змінного струму і тувати регульований перетворювач 8 змінного регулюється в ньому. При цьому розділювальний струму. Таким чином, потужні напівпровідникові вимикач 9 великого струму розімкнуть. прилади, звичайні тиристори, захищаються в регуПерехід між робочими режимами b) та с) є льованому перетворювачі 8 змінного струму від плавним. Принципово діє правило, що лише при дуже великих струмів. збільшенні потужності за рахунок підвищення втоРезистивний режим з невеликою електричною ринної напруги трансформатора 6 при частці елекдугою тричної дуги L. що збільшується, в енергії, що вноОсновна частина необхідної для цього режиму ситься, (дивись фіг. 3) і при пониженні електропечі енергії виділяється за допомогою реелектродного струму нижче порогового значення зистивного нагрівання шлаку. При цьому через 300 струму розмикається шунтувальний розділюшлак проходить струм, за рахунок чого електрична вальний вимикач 9 і замикаються перший і другий енергія за рахунок опору шлаку перетворюється в розділювальні вимикачі 10а, 10b. Таким чином, в джоулеве тепло. При цьому джоулеве тепло сприцьому випадку підключається регульований переяє металургійним ендотермічним реакціям, напритворювач змінного струму і служить для оптимуклад, відновленню, і плавленню. Додаткова, менвання введення енергії. І навпаки, регульований ша величина енергії може викликатися перетворювач 8 змінного струму необхідно знову електричною дугою, яка виникає в нижній зоні елесвоєчасно виводити з електричного контуру при ктродів або між електродами. Це досягається липадінні введення енергії за рахунок електричних ше при мінімально занурених електродах або при дуг, при падінні вторинної напруги і при електроположенні електродів безпосередньо над шлакодному струмі, що збільшується, тобто принципово вою ванною. Для цього робочого режиму звичайно при перевищенні електродним струмом пороговопотрібні відносно велика сила струму і порівняно го значення струму. Порогове значення 300 струму низькі напруги (дивись фіг. 4, зона b). Однак в (фіг. 2) для розмикання шунтувального розділювацьому робочому режимі напруги значно вище, ніж льного вимикача 9 принципово є ідентичним поропри занурених електродах. Конкретно, вторинні говому значенню струму для замикання шунтуванапруги звичайно лежать в діапазоні навколо 1000 льного розділювального вимикача. Однак для В для печей з потужністю близько 30-50 МВт. обох процесів можливі також різні порогові знаРезистивний режим з електричною дугою чення струму, наприклад, комбіновані в одному У цьому режимі найбільша частина енергії гістерезисі. вноситься за допомогою електричних дуг. ЕлектНа фіг. 4 показаний, аналогічно до фіг. 2, приричні дуги переносять своє тепло, що випромінюклад для визначення параметрів електронної пеється, безпосередньо в шар шихти і шлаку в печі. ремикальної схеми, згідно з винаходом, для ввеПри цьому принципово розрізнюють режим роботи дення енергії в електропіч з 6 електродами для з відкритою електричною дугою і режим роботи із виробництва FeNi з потужністю 129 MBА. Так само закритою електричною дугою. як на фіг. 2 і туг крива 300 характеризує максимаПри роботі з відкритою електричною дугою льний струм через регульований перетворювач 8 електрична дуга йде на шихту М, відповідно, шлак змінного струму і тим самим порогове значення S без використання бокового теплового випроміструму для перемикання шунтувального розділюнювання (дивись фіг. 3), при цьому позицією N вального вимикача 9. При електродних струмах позначена зона не закритої електричної дуги. На понад це порогове значення струму регульований фіг. 3 показана також електрична схема для шляху перетворювач 8 змінного струму шунтується, за проходження електричного струму через електрод рахунок чого знімається електричне навантаження 11, електричну дугу L, шлак S і розплавлений мерегульованого перетворювача змінного струму. Це тал 15. Як ідеалізацію можна прийняти омічний має ту перевагу, що регульований перетворювач 8 опір електрода 11 і розплавленого металу 15 рівзмінного струму в цілому і, зокрема, його потужні ним нулю. У цьому випадку залишаються для еленапівпровідникові прилади можуть мати значно ктродного струму омічний опір RL електричної дуги менші параметри, за рахунок чого забезпечується L та омічний опір Rs шлаку S. просте та економічне рішення. При роботі із закритою електричною дугою Якщо навіть електропечі, зокрема відновні крайова зона електрода 11 частково закрита шихелектропечі, виконані для робочих режимів b) та тою М, як показано на фіг. 3 на правій кромці елекс), то під час пускового режиму і режиму частковотрода. Нарівні з енергією електричної дуги приго навантаження вони можуть працювати із заблизно однакова або дещо менша частина енергії, мкненим шунтувальним розділювальним вимикащовноситься, створюється за рахунок резистивчем 9, тобто з шунтованим регульованим ного нагрівання в електродах. Для цього режиму перетворювачем 8 змінного струму. роботи з високою часткою електричної дуги звиПосилальні позиції чайно необхідні менші струми при високих напру1 мережа середньої напруги гах (дивись фіг. 4, діапазон с). 2 пристрій вимірювання напруги При цьому напруги в печах з потужністю понад 3 потужний пічний перемикач 9 86999 4 пристрій вимірювання струму 4а, 4b характеристичні лінії 6 пічний трансформатор 8 регульований перетворювач змінного струму 9 розділювальний вимикач великого струму 10a перший розділювальний вимикач 10b другий розділювальний вимикач 10 11 електроди 12 резервуар печі 14 керуючий пристрій 15 розплавлений метал 100 лінії активної потужності 400 сімейство характеристичних кривих 300, 500 характеристична крива 11 Комп’ютерна верстка Шеверун Д. 86999 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601