Система керування режимами електропостачання дев’ятиелектродної дугової електропечі

Реферат: Винахід належить до систем електропостачання дугових сталеварних печей великої та надвеликої місткості. Елементи системи здійснюють компенсацію реактивної потужності, яка в ході розтоплення металобрухту швидко і випадково змінюється в широких межах її значень. Система забезпечує динамічне регулювання реактивної потужності в системі електропостачання дев'ятиелектродної дугової електропечі, що забезпечує зниження втрат активної потужності в елементах систем електропостачання та стабілізацію напруги живлення електропечі. UA 116152 C2 (12) UA 116152 C2 UA 116152 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки, зокрема до систем електропостачання дугових сталеварних печей великої та надвеликої місткості. Відома система електропостачання шестиелектродної дугової печі змінного струму місткістю 400 тонн з еліптичною формою ванни печі фірми "CWB" (Промышленные установки электродугового нагрева и их параметры. стр. 84-85. Под общ. ред. Л. Е. Никольского, М. "Энергия" - 1971, 272 с.), яка призначена для швидкого розтоплення металобрухту за рахунок введення великої потужності в електродугову піч одночасно до шести електродів, які розміщені у просторі печі рівномірно над поверхнею шихти. Це забезпечує рівномірний розподіл тепла над поверхнею металобрухту і пришвидшення його розтоплення. Проте вказана електродугова піч має той основний недолік, що містить два потужні пічні трансформатори і, відповідно, подвійний комплект комутаційної апаратури та засобів захисту, а також складну систему регулювання технологічної напруги пічних трансформаторів. Із відомих систем керування режимами електропостачання дев'ятиелектродної дугової електропечі найближчою за своєю суттю є система керування режимами електропечі постійного струму (Патент України на винахід № 103377 МКП Н05В 3/08 (2006.01)), що містить пічний трансформатор, від якого через випрямляч змінного струму в постійний подається напруга до електродів дугової електропечі. Однак відома система керування режимами електропечі постійного струму має три електроди, з яких лише два утворюють дуги, що обмежує уведення в піч великої електричної потужності, а значить не дозволяє збільшити об'єм електропечі. В режимах замикання електродів з металобрухтом коефіцієнтом потужності електропечі знижується до (0,5-0,7) через зміну співвідношення між споживаними піччю активною та реактивною потужностями. Це призводить до збільшення втрат активної потужності в елементах систем електропостачання дугової електропечі. В основу винаходу поставлено задачу створити системи керування режимами електропостачання дев'ятиелектродної дугової електропечі, в якій за рахунок нових конструктивних рішень забезпечиться плавне регулювання реактивної потужності в системі живлення та підвищиться швидкість розтоплення металобрухту в електропечі. Поставлена задача вирішується тим, що система керування режимами електропостачання дев'ятиелектродної дугової електропечі, яка містить джерело трифазної напруги, перші вимірювальні органи струму, вимірювальні органи напруги, пічний трансформатор, систему керування перетворювачем частоти, конденсаторні батареї, додатково містить перетворювач частоти, три однофазні некеровані випрямлячі змінного струму в постійний, шість проводів короткої мережі імпульсного струму, шість електродів імпульсного струму, три проводи короткої мережі змінного струму, три електроди змінного струму, понижувальний трансформатор, блок реакторів, перший та другий аналого-цифрові перетворювачі струму, аналого-цифровий перетворювач напруги, блок обчислення активної та реактивної потужностей, блок задання tgφз, блок обчислення різниці реактивної потужності, перший та другий блоки порівняння, блок обчислення потужності регульованих реакторів, блок обчислення потужності конденсаторних батарей, другі вимірювальні органи струму, блок обчислення частоти, блок обчислення діючого значення напруги, при цьому до джерела трифазної напруги через послідовно з'єднані перші вимірювальні органи струму приєднані виводи первинної обмотки пічного трансформатора, до виводів вторинних обмоток пічного трансформатора через три проводи короткої мережі змінного струму приєднані три електроди змінного струму електродугової печі, виводи перших вимірювальних органів струмів приєднані до входів першого аналого-цифрового перетворювача струму, виходи якого приєднані до перших входів блока обчислення активної та реактивної потужностей, до других входів якого приєднані виходи аналого-цифрового перетворювача напруги, входи якого приєднані до виходів вимірювального органу напруги, входи якого приєднані паралельно до первинних обмоток пічного трансформатора, до третіх входів блока обчислення активної та реактивної потужностей приєднані другі виходи першого блока порівняння, перші та другі виходи блока обчислення активної та реактивної потужностей приєднані до першого та другого входів блока обчислення різниці реактивної потужності, до третього входу якого приєднаний вихід блока задання tgз, вихід обчислення різниці реактивної потужності приєднаний до входу першого блока порівняння перший вихід якого приєднаний до першого входу блока обчислення потужності регульованих реакторів, до другого входу блока обчислення потужності регульованих реакторів приєднаний вихід блока обчислення потужності конденсаторної батареї до першого входу якого приєднаний другий вихід аналого-цифрового перетворювача напруги, другий вхід блока обчислення потужності конденсаторної батареї приєднаний до виходу другого аналого-цифрового перетворювача струму, входи якого приєднані до виходів других вимірювальних органів струму, увімкнених послідовно з конденсаторною батареєю, вихід блока обчислення потужності регульованих реакторів 1 UA 116152 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 приєднаний до входу другого блока порівняння, перший вихід якого приєднаний до входу блока обчислення частоти, другий вихід другого блока порівняння приєднаний до входу блока обчислення потужності регульованих реакторів, вихід блока обчислення частоти приєднаний до входу системи керування перетворювачем частоти, виходи якого приєднані до керуючих входів перетворювача частоти. На кресленні наведена схема системи керування режимами електропостачання дев'ятиелектродної дугової електропечі. Згідно з кресленням, до трифазного джерела живлення 1 через послідовно сполучені перші вимірювальні органи струму 2 приєднані первинні обмотки пічного трансформатора 3, до виводів вторинних обмоток якого приєднані входи трьох однофазних некерованих випрямлячів 4. До виводів однофазних випрямлячів 4 приєднані початки проводів короткої мережі імпульсного струму 5, до кінців яких приєднані шість електродів імпульсного струму 6 дугової електропечі 7. Крім того, до виводів вторинних обмоток пічного трансформатора 3, паралельно до однофазних випрямлячів 4 приєднані початки трьох проводів короткої мережі змінного струму 8, до кінців яких приєднані три електроди змінного струму 9. До виходів перших вимірювальних органів струму 2 приєднані входи першого аналогоцифрового перетворювача струму 10, виходи якого приєднані до перших входів блока обчислення активної та реактивної потужностей 11, другі входи якого приєднані до виходів аналого-цифрового перетворювача напруги 12. До входів аналого-цифрового перетворювача напруги 12 приєднані виходи вимірювального органу напруги 13, входи якого приєднані паралельно до виводів первинної обмотки пічного трансформатора 3. Перший та другий виходи блока обчислення активної та реактивної потужностей 11 приєднані до першого та другого входів блока обчислення різниці реактивної потужності 14, третій вхід якого з'єднаний з виходом блока задання tgз 15. Вихід блока обчислення різниці реактивної потужності 14 приєднаний до входу першого блока порівняння 16, другий вихід якого приєднаний до третього входу блока обчислення активної та реактивної потужностей 11, а перший вихід першого блока порівняння 16 приєднаний до першого входу блока обчислення реактивної потужності регульованих реакторів 17, другий вхід якого приєднаний до виходу блока обчислення потужності конденсаторних батарей 18, до першого входу якого приєднаний другий вихід аналогоцифрового перетворювача наруги 12. До другого входу блока обчислення потужності конденсаторних батарей 18 приєднаний вихід другого аналого-цифрового перетворювача 19, входи якого приєднані до виходів других вимірювальних органів струму 20, увімкнених послідовно з конденсаторною батареєю 21, яка приєднана паралельно до виводів пічного трансформатора 3. Вихід блока обчислення реактивної потужності регульованих реакторів 17 приєднаний до входу другого блока порівняння 22, другий вихід якого приєднаний до третього входу блока обчислення реактивної потужності регульованих реакторів 17, а перший вихід другого блока порівняння 22 приєднаний до входу блока обчислення частоти перетворювача 23, до другого входу якого приєднаний вихід блока обчислення діючого значення напруги 24, вхід якого приєднаний до третього виходу аналого-цифрового перетворювача наруги 12. Вихід блока обчислення частоти перетворювача 23 приєднаний до входу системи керування перетворювачів частоти 25, виходи якого приєднані до других входів перетворювача частоти 26. До виходів перетворювача частоти 26 приєднані входи блока компенсуючих реакторів 27, а першими входами перетворювач частоти 26 приєднаний до виходів вторинної обмотки понижувального трансформатора 28, виводи первинної обмотки якого приєднані паралельно до виводів первинних обмоток пічного трансформатора 3. Система керування режимами електропостачання дев'ятиелектродної дугової електропечі працює наступним чином: дев'ятиелектродна дугова електропіч 7 перетворює електричну енергію у теплову за допомогою трьох електричних дуг змінного струму та шести електричних дуг імпульсного струму. Проводи короткої мережі імпульсного струму 5 та змінного струму 8 характеризуються значними індуктивними опорами, а це призводить до споживання ними великої кількості реактивної потужності, при цьому коефіцієнт потужності електропечі не перевищує 0,7. Під час розтоплення металобрухту дуги розриваються або електроди імпульсного струму 6 та змінного струму 9 закорочуються на металобрухт, внаслідок чого коефіцієнт потужності електропечі знижується до 0,5. Реактивна складова струму навантаження призводить до зростання втрат активної потужності в елементах системи електропостачання та коливання напруги в системі живлення, що негативно впливає на інші паралельно приєднані споживачі. Це вимагає компенсації реактивної потужності, яка в ході розтоплення металобрухту змінюється швидко і випадково в широких межах її значень. Для забезпечення динамічної компенсації реактивної потужності від першого вимірювального органу струмів 2 надходить інформація на входи першого аналого-цифрового перетворювача струму 10 про значення струму, який споживається дуговою електропіччю 7 від трифазного джерела живлення 1. У 2 UA 116152 C2 5 першому аналого-цифровому перетворювачі струму 10 відбувається перетворення аналогових сигналів, пропорційних до лінійних струмів в проводах системи живлення дугової електропечі 7, у цифрові сигнали з певною дискретністю, які надходять на перші входи блока обчислення активної та реактивної потужностей 11. На другі входи блока обчислення активної та реактивної потужностей 11 надходять цифрові сигнали із виходів аналого-цифрового перетворювача напруги 12, на входи якого надходять аналогові сигнали, пропорційні до лінійних напруг, які надходять від вимірювальних органів напруги 13. У блоці 11 активна потужність визначається за виразом n P  (U j 1 j )  ( I j )T j , n  T j 1 10 j а реактивна потужність обчислюється за виразом t(±U, ) -(+I, ) AT, n P  (U j 1 j )  ( I j )T j , n  T j 1 j де  U j та  I j - дискретні значення напруги та струму з однаковими знаками,  U j та  I j - дискретні значення напруги та струму з протилежними знаками на інтервалі одного 15 20 25 30 35 40 45 періоду промислової частоти.  T j - величина часової дискретизації аналогових сигналів. Із блока обчислення активної і реактивної потужностей 11 інформація про значення активної потужності надходить на перший вхід блока обчислення різниці реактивної потужності 14, на другий вхід якого надходить сигнал про реактивну потужність від блока 11, а на третій вхід блока обчислення різниці реактивної потужності 14 надходить сигнал про задану величину коефіцієнта потужності від блока задання tgз 15. У блоці обчислення різниці реактивної потужності 14 відбувається обчислення різниці реактивної потужності за виразом ∆Q=Q-Ptgз, який видає величину реактивної потужності ∆Q, котра підлягає компенсації. Якщо величина реактивної потужності ∆Q, дорівнює нулю або має від'ємний знак, то це означає, що коефіцієнт потужності перевищує 0,9, тому компенсація не вимагається, а з першого блока порівняння 16 сигнал надходить на третій вхід блока обчислення активної та реактивної потужностей 11, при цьому регулювання не відбувається. У разі додатної величини реактивної потужності ∆Q, сигнал з першого блока порівняння 16 надходить на перший вхід блока обчислення реактивної потужності регульованих реакторів 17, в якому розрахункова потужність регульованих реакторів обчислюється з виразу QL=QC-∆Q, де QC - значення реактивної потужності, генерованої конденсаторної батареї 21. Ця потужність обчислюється у блоці обчислення потужності конденсаторних батарей 18, на перший вхід якого надходить значення напруги з других виходів аналого-цифрового перетворювача напруги 12, а на другий вхід блока обчислення потужності конденсаторних батарей 18 надходить сигнал про значення струму конденсаторної батареї 21 з виходів другого аналогоцифрового перетворювача струму 19, в якому відбувається перетворення аналогового сигналу струму конденсаторної батареї 21 в цифровий сигнал. Якщо реактивна потужність QL дорівнює нулю або від'ємна, то з другого виходу другого блока порівняння 22 сигнал надходить на третій вхід блока обчислення реактивної потужності регульованих реакторів 17, при цьому регулювання реактивної потужності не відбувається. Якщо потужність QL>0, то з першого виходу другого блока порівняння 22 сигнал надходить на перший вхід блока обчислення частоти перетворювача 23, на другий вхід якого поступає сигнал з виходу блока обчислення діючого значення напруги 24. У блоці обчислення частоти перетворювача 23 обчислюється частота зміни вихідної напруги перетворювача частоти 26 за формулою U2 , 2QL L де L - індуктивність регульованих реакторів. f  3 UA 116152 C2 5 10 15 20 З виходу блока обчислення частоти перетворювача 23 надходить сигнал на вхід системи керування перетворювачем частоти 25, в якому виробляються керуючі сигнали, які надходять на керуючі входи перетворювача частоти 26, котрий приєднаний до електричної мережі через понижувальний трансформатор 28. Потужність конденсаторної батареї 21 підібрана таким чином, щоб в режимі номінального навантаження дугової електропечі 7 забезпечити коефіцієнт потужності в системі електропостачання, не нижче ніж 0,9. Потужність регульованих реакторів 27 повинна складати 50 % від потужності конденсаторної батареї на промисловій частоті вихідної напруги перетворювача частоти 26. Решту потужності, генерованої конденсаторною батареєю 21, регульовані реактори 27 відбирають шляхом зміни частоти напруги на виводах перетворювача частоти 26, до яких приєднані регульовані реактори 27. Регулювання електричної потужності дугової електропечі 7 на кожній технологічній стадії електротехнологічного процесу здійснюється за допомогою відомих систем керування, наприклад, шляхом регулювання довжини дуги. Враховуючи наявність дев'яти дуг, які є джерелами тепла і можуть швидко розтоплювати твердий металобрухт чи шихту в рідкий метал, запропоновану дугову електропіч рекомендується використовувати лише для стадії розтоплення металобрухту в кількості, не менше ніж 250 тонн. Ця стадія характеризується нестійким горінням дуг, і, як наслідок, швидкою зміною активної та реактивної потужностей споживання. Це супроводжується нерегулярними коливаннями напруги в системі електропостачання. Запропонована система керування режимами електропостачання дев'ятиелектродної дугової електропечі здатна здійснити стабілізацію напруги за рахунок швидкого регулювання процесом компенсації реактивної потужності. Дослідження даної системи методом математичного моделювання показали, що за допомогою матричного перетворювача частоти, вдається досягти швидкості зміни реактивної потужності регульованого реактора біля 5 МВАр за секунду. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 55 60 Система електропостачання дев'ятиелектродної дугової електропечі, яка містить джерело живлення, перші вимірювальні органи струму, вимірювальні органи напруги, пічний трансформатор та конденсаторні батареї, яка відрізняється тим, що джерело живлення виконано трифазним, при цьому система додатково містить перетворювач частоти зміни напруги, три однофазні некеровані випрямлячі змінного струму в постійний, шість проводів короткої мережі імпульсного струму та шість електродів імпульсного струму, три проводи короткої мережі змінного струму та три електроди змінного струму, понижувальний трансформатор, блок компенсуючих реакторів, перший та другий аналого-цифрові перетворювачі струму, аналого-цифровий перетворювач напруги, блок обчислення активної та реактивної потужностей, блок задання коефіцієнта потужності електропечі tgз, блок обчислення різниці реактивної потужності, перший та другий блоки порівняння, блок обчислення реактивної потужності регульованих реакторів, блок обчислення потужності конденсаторних батарей, другі вимірювальні органи струму, блок обчислення частоти зміни напруги, блок обчислення діючого значення напруги та систему керування перетворювачем частоти зміни напруги, причому до джерела трифазної напруги через послідовно з'єднані перші вимірювальні органи струму приєднані виводи первинної обмотки пічного трансформатора, до виводів вторинних обмоток якого приєднані входи трьох однофазних некерованих випрямлячів, до виводів яких приєднані початки проводів короткої мережі імпульсного струму, до кінців яких приєднані шість електродів імпульсного струму, крім того, до виводів вторинних обмоток пічного трансформатора паралельно до однофазних випрямлячів приєднані початки трьох проводів короткої мережі змінного струму, до кінців яких приєднані три електроди змінного струму, при цьому виводи перших вимірювальних органів струму приєднані до входів першого аналогоцифрового перетворювача струму, виходи якого приєднані до перших входів блока обчислення активної та реактивної потужностей, до других входів якого приєднані виходи аналогоцифрового перетворювача напруги, входи якого приєднані до виходів вимірювального органу напруги, входи якого приєднані паралельно до первинних обмоток пічного трансформатора, при цьому до третього входу блока обчислення активної та реактивної потужностей приєднаний другий вихід першого блока порівняння, перший та другий виходи блока обчислення активної та реактивної потужностей приєднані до першого та другого входів блока обчислення різниці реактивної потужності, до третього входу якого приєднаний вихід блока задання коефіцієнта потужності електропечі tgз, вихід блока обчислення різниці реактивної потужності приєднаний до входу першого блока порівняння, перший вихід якого приєднаний до першого входу блока обчислення реактивної потужності регульованих реакторів, до другого входу якого приєднаний 4 UA 116152 C2 5 10 вихід блока обчислення потужності конденсаторної батареї, до першого входу якого приєднаний другий вихід аналого-цифрового перетворювача напруги, а до другого його входу приєднаний вихід другого аналого-цифрового перетворювача струму, входи якого приєднані до виходів других вимірювальних органів струму, увімкнених послідовно з конденсаторною батареєю, при цьому вихід блока обчислення реактивної потужності регульованих реакторів приєднаний до входу другого блока порівняння, перший вихід якого приєднаний до входу блока обчислення частоти зміни напруги, а другий його вихід приєднаний до входу блока обчислення реактивної потужності регульованих реакторів, при цьому вихід блока обчислення частоти зміни напруги приєднаний до входу системи керування перетворювачем частоти зміни напруги, виходи якого приєднані до керуючих входів перетворювача частоти зміни напруги, до виходів якого приєднані входи блока компенсуючих реакторів, причому першими входами перетворювач частоти зміни напруги приєднаний до виходів вторинної обмотки понижувального трансформатора, виводи первинної обмотки якого приєднані паралельно до виводів первинних обмоток пічного трансформатора. Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5