Пристрій для живлення дугових печей з паралельно-послідовним регулятором потужності

Реферат: Пристрій для живлення дугових печей містить однофазні трансформаторні агрегати, кожен з яких містить головний трансформатор з первинною, регулювальною та вторинною обмотками, вольтододатковий трансформатор, у якому первинна обмотка головного трансформатора підключена до мережі змінного струму, а вторинні обмотки головного та вольтододаткового трансформатора з'єднуються послідовно та узгоджено і підключаються до електродів печі. Крім цього, він містить високовольтний паралельно-послідовний регулятор потужності, який виконаний на базі силових перетворювальних блоків, що вхідними виводами підключені до окремих секцій регулювальної обмотки головного трансформатора, а вихідними виводами з'єднуються послідовно, причому кількість послідовно з'єднаних силових перетворювальних блоків та відповідно секцій регулювальної обмотки визначається діапазоном вихідної напруги пристрою. UA 109180 U (12) UA 109180 U UA 109180 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки, а саме до пристроїв для живлення змінним струмом дугових електропечей. Відомі пристрої для живлення змінним струмом дугових печей, що містять силовий трансформатор, у якого обмотки мають відводи для ступеневого регулювання напруги та перемикач відводів, який забезпечує регулювання напруги під навантаженням [1]. В такому пристрої величина та діапазон регулювання вихідної напруги залежать від конструктивних особливостей регулювальної обмотки. Так як в схемі відсутні фазозсувні елементи, то регулювання напруги проводиться тільки по амплітуді (так зване скалярне регулювання). Недоліком такого пристрою є ступеневе регулювання напруги й відповідно потужності печі, якість якого залежить від значення напруги між відводами та кількості відводів регулювальної обмотки трансформатора. Ступенева зміна напруги приводить також до ступеневого змінення параметрів печі, таких як потужність, геометричні та теплові характеристики дугового розряду й інші. Крім того, перехід з одного ступеня напруги на другий в таких пристроях виконується електромеханічними перемикачами відводів та триває декілька секунд, що не відповідає сучасним вимогам до систем електроживлення за якістю і швидкодією, а для забезпечення необхідного діапазону регулювання значно ускладнюється конструкція регулювальної обмотки трансформатора. Відомі також пристрої для живлення дугових печей [2], що містять однофазні трансформаторні агрегати, кількість яких відповідає кількості фаз печі. Кожний трансформаторний агрегат містить головний трансформатор з первинною, регулювальною, та вторинною обмотками та вольтододатковий трансформатор, який розташований на окремому магнітопроводі, первинна обмотка якого через перемикач відводів з'єднується з регулювальною обмоткою у замкнений контур, в який також вмикається батарея конденсаторів повздовжньої компенсації, причому вторинні обмотки головного та вольтододаткового трансформатора з'єднуються послідовно та узгоджено. В такому пристрої значення напруги на вихідних виводах визначається геометричною сумою напруги на регулювальній обмотці та на первинній обмотці вольтододаткового трансформатора з урахуванням падіння напруги на конденсаторній батареї. Так як падіння напруги на конденсаторній батареї повздовжньої компенсації по амплітуді прямо пропорційно струму навантаження дугової печі, а по фазі відстає від струму на 90° і направлено протилежно падінню напруги на еквівалентному індуктивному опору дугової печі, введення послідовної ємності забезпечує так зване амплітудно-фазове або векторне регулювання. Підвищення якості такого регулювання забезпечується системою автоматичного управління, до якої підключені відповідні датчики струму та напруги. Недоліком цього пристрою є також ступінчастість регулювання напруги та обмежена регулювальна здатність за фазою вектора вихідної напруги, що складає приблизно 5°-15°. Це обумовлено тим, що змінення фази вектора напруги забезпечується тільки за рахунок протікання струму по конденсаторній батареї повздовжньої компенсації, так як у пристрої відсутні елементи для забезпечення керованого широкодіапазонного регулювання фази напруги й відповідно потужності. Вищевказані фактори визначають недостатню ефективність даних пристроїв електроживлення, що сприяє також зниженню техніко-економічних показників електропечей. Технічною задачею корисної моделі є створення пристрою для живлення дугових печей із забезпеченням швидкодіючого плавного та широкодіапазонного векторного (амплітуднофазового) регулювання напруги та відповідно активної і реактивної потужності, у якому значно підвищується ефективність його роботи, таким чином зменшуються коливання електротехнологічних параметрів печі, втрати електроенергії й покращуються техніко-економічні показники усієї пічної установки. Поставлена задача вирішується тим, що пропонований пристрій містить однофазні трансформаторні агрегати, кількість яких відповідає числу фаз печі, кожен з яких містить головний трансформатор з первинною, регулювальною та вторинною обмотками, вольтододатковий трансформатор, у якому первинна обмотка головного трансформатора підключена до мережі змінного струму, а вторинні обмотки головного та вольтододаткового трансформаторів з'єднуються послідовно та узгоджено та підключаються до електродів печі. Крім того, згідно з корисною моделлю регулювальна обмотка виконана у вигляді окремих секцій, які живлять силові перетворювальні блоки, що своїми вихідними виводами з'єднуються послідовно у замкнений контур з первинною обмоткою вольтододаткового трансформатора, таким чином утворюють високовольтний паралельно-послідовний регулятор потужності на базі двосторонньої багаторівневої інверторної схеми. Кожен з силових перетворювальних блоків містить вхідні запобіжники, реактор, вхідний однофазний мостовий перетворювач, що виконаний на чотирьох IGBT-модулях зі зворотними діодами, ємнісну ланку та вихідний 1 UA 109180 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 однофазний мостовий перетворювач 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 силовими перетворювальними блоками з одного боку підключений до системи автоматичного управління дугової печі, а з іншого боку - до локальних блоків управління кожного силового перетворювального блока. Технічний результат застосування корисної моделі полягає у тому, що завдяки введенню паралельно-послідовного регулятора потужності, який виконаний на базі послідовного з'єднання силових перетворювальних блоків, ввімкнених у коло первинної обмотки вольтододаткового трансформатора, реалізується плавне векторне регулювання напруги в широкому діапазоні, швидкодіюче змінення або стабілізація активної та реактивної потужності пічної установки. Причому регулювання зазначених параметрів виконується в кожній фазі, що сприяє вирівнюванню навантажень печі по фазах. Таким чином електричний режим печі поліпшується, а втрати електроенергії та електротехнологічні коливання в ванні печі зменшуються. Крім того, при переведенні вхідного однофазного мостового перетворювача кожного силового перетворювального блока в інверторний режим пристрій додатково може працювати в режимі паралельного компенсатора реактивної потужності, чим розширюються функціональні можливості та збільшується гнучкість алгоритмів керування дуговою піччю. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями: фіг. 1 - функціональна схема пристрою для живлення дугової печі з колами управління; фіг. 2 - функціональна схема одного з силових перетворювальних блоків. На схемі фіг. 1: 1 - головний трансформатор; 2 - первина обмотка головного трансформатора; 3 - регулювальна обмотка головного трансформатора з секціями 4-9, 10 вторинна обмотка головного трансформатора; 11 - вольтододатковий трансформатор з первинною 12 та вторинною 13 обмотками; 14 - паралельно-послідовний регулятор потужності з силовими перетворювальними блоками 15-20 й блоком формування та розподілу імпульсів керування 21, 22 - датчик вхідної напруги; 23 - датчик напруги силових перетворювальних блоків; 24 - датчик струму у колі первинної обмотки 12 вольтододаткового трансформатора 11; 25 - датчик вихідної напруги; 26 - система управління. На схемі фіг. 2: 27, 28 - вхідні запобіжники; 29 - реактор; 30-33-IGBT-модулі вхідного однофазного мостового перетворювача; 34 - ємнісна ланка, 35-38-IGBT-модулі вихідного однофазного мостового перетворювача; 39-40-IGBT-модулі байпасного кола; 41 - локальний блок управління. Пристрій для живлення дугових печей містить головний триобмотковий трансформатор 1, вольтододатковий трансформатор 11, паралельно-послідовний регулятор потужності 14, у якому первинна обмотка 2 головного трансформатора 1 вхідними виводами "А", "X" приєднана до мережі змінного струму, а вторинна обмотка 10 головного трансформатора 1 включена послідовно та узгоджено з вторинною обмоткою 13 вольтододаткового трансформатора 11 та з'єднана з вихідними виводами "Q", "R" для приєднання електродів дугової печі. Паралельнопослідовний регулятор потужності 14 містить силові перетворювальні блоки 15-20, які вхідними виводами "а", "х" підключені до відповідних секцій 4-9 регулювальної обмотки 3, а вихідними виводами з'єднуються послідовно таким чином. Другий вихідний вивід (L2) попереднього силового блока з'єднано з першим вихідним виводом наступного силового блока (L1), причому перший вихідний вивід (L1) силового перетворювального блока 15, підключений до одного з виводів первинної обмотки 12 вольтододаткового трансформатора 11, а другий вихідний вивід (L2) силового перетворювального блока 20 через вхідні кола датчика струму 24 та датчика напруги 23 з'єднаний з другим виводом первинної обмотки 12 вольтододаткового трансформатора 11. Кожний силовий перетворювальний блок містить вхідні запобіжники 27-28, перші виводи яких утворюють вхідні виводи "а", "х" силового блока, 29 - реактор, послідовно з'єднані вхідний однофазний мостовий перетворювач, що виконаний на чотирьох IGBT-модулях зі зворотними діодами 30-33, ємнісну ланку 34 та вихідний однофазний перетворювач, що виконаний на чотирьох IGBT-модулях зі зворотними діодами 35-38. Між вихідними виводами LI, L2 включено байпасне коло, що виконано на базі двох зустрічно-послідовно з'єднаних IGBT-модулів зі зворотними діодами 39, 40. Виводи керування IGBT-модулів 30-33, 35-40 підключені до локального блока управління 41. Управління паралельно-послідовним регулятором потужності здійснюється системою автоматичного управління 26. Входом системи управління є вторинні сигнали з датчика вхідної напруги 22, з датчика струму 24, з датчика вихідної напруги 25, а виходом - керуючі сигнали, що 2 UA 109180 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 подаються на блок формування та розподілу імпульсів керування 21, який з'єднується з кожним силовим перетворювальним блоком, та з датчиками 23, 24 інформаційними каналами. Пристрій працює таким чином. При подаванні живлячої напруги на виводи "А" - "X" пристрою на первинній обмотці 2 головного трансформатора 1 і відповідно на секціях 4-9 регулювальної обмотки 3 з'являється знижена напруга, що може дорівнювати, наприклад, 660 В, яка подається на вхідні виводи "а""х" відповідних силових перетворювальних блоків 15-20. За допомогою IGBT-модулів зі зворотними діодами 30-33 вхідного однофазного мостового перетворювача ця напруга випрямляється та подається на ємнісну ланку 34. Причому комбінація IGBT-модулів 30-33 з реактором 29 дозволяє вхідному перетворювачу працювати в режимі активного випрямляча з квазі-синусоїдальною формою вхідного струму. За допомогою IGBT-модулів 35-38 вихідного мостового однофазного перетворювача, імпульси управління якими формуються блоком формування та розподілу імпульсів керування 21 та локальним блоком управління 41, випрямлена напруга перетворюється у напругу, модульовану методом широтно-імпульсної модуляції заданої амплітуди та фази і подається у відповідні інтервали часу на виводи LI, L2 силових перетворювальних блоків 15-20. Так як силові блоки 15-20 включені послідовно, то на виводах перетворювальних блоків 1520 формується високовольтна напруга заданої амплітуди та фази, що є сумою вихідних напруг силових перетворювальних блоків 15-20. Ця напруга має квазі-синусоїдальну форму і подається на первинну обмотку 12 вольтододаткового трансформатора 11. Так як вторинна обмотка 10 головного трансформатора 1 та вторинна обмотка 13 вольтододаткового трансформатора 11 з'єднані послідовно та узгоджено, напруга на вихідних виводах пристрою "Q"-"R" є геометричною сумою напруги на вторинній обмотці 10 головного трансформатору 1 та на вторинній обмотці 13 вольтододаткового трансформатора 11. Кожне змінення стану печі фіксується датчиком струму 24 та датчиком напруги 25, а також іншими технологічними датчиками, вихідні сигнали яких подаються в систему автоматичного управління 26. Система автоматичного управління 26, відповідно до стадій технологічного процесу дугової печі, видає керуючі сигнали блока формування та розподілу імпульсів керування 21 на регулювання амплітуди й фази вихідної напруги силових перетворювальних блоків 15-20. Так як регулювання напруги забезпечується напівпровідниковими приладами, такими як IGBT-модулі, амплітуда вихідної напруги може змінюватися від 0 В до номінальної напруги, а фаза її може змінюватися від 0° до 360°, причому швидкодія такого регулювання становить частини секунди, що значно швидше, ніж електромеханічні перемикачі відводів. Регулювання амплітуди і фази вихідної напруги в широкому діапазоні забезпечує також плавне регулювання або стабілізацію потоків активної і реактивної потужності в тому числі компенсацію індуктивного опору пічного контуру. Система автоматичного управління 26 забезпечує контроль вихідних параметрів пристрою, а також завдяки використанню сучасних обчислювальних алгоритмів, проводить оптимізацію параметрів електротехнологічного режиму, таких як коефіцієнт потужності, індуктивний опір пічного контуру, корисна активна потужність та вихідна напруга. Блок формування та розподілу імпульсів керування 21 здійснює формування керувальних команд, що реалізують плавне регулювання амплітуди і фази вихідної напруги та інші необхідні функції. Локальні блоки управління 41 контролюють стан силового перетворювального блока за основними параметрами, такими як температура IGBT-модулів, значення вихідної напруги, значення випрямленої напруги, стан байпасних IGBT-модулів 39,40. У нормальному режимі роботи IGBTмодулі байпасного кола 39, 40 кожного силового блока 15-20 відключені. При виході будь-якого з контролюючих параметрів того чи іншого силового блока за встановлені границі, локальний блок керування 41 фіксує відповідну несправність та дає команду на відключення IGBT-модулів 30-33 або 35-38 та включення IGBT-модулів 39, 40. Таким чином дефектний силовий блок виводиться з роботи, а струм навантаження проходить через байпасні IGBT-модулі 39, 40, забезпечуючи при цьому безперервність силової напруги. В режимі паралельного компенсатора реактивної потужності IGBT-модулі 30-33 вхідного перетворювача кожного силового блока 15-20 переводяться системою автоматичного управління 26, блоком формування та розподілу імпульсів керування 21, та локальним блоком управління 41 в інверторний режим. В цьому режимі за рахунок енергії, яка запаслася в ємності 34 IGBT-модулі 30-33 формують вхідні струми заданої амплітуди й фази. Таким чином використання паралельно-послідовного регулятора потужності на IGBTмодулях з сучасними системами автоматичного управління значно підвищує якість регулювання, сприяє зниженню електротехнологічних коливань, поліпшенню роботи печі та підвищенню її техніко-економічних показників. 3 UA 109180 U 5 10 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. Аншин В.Ш., Крайз В.Г., Мейксон В.Г. Трансформаторы для промышленных электропечей. - Μ.: Энергоиздат, 1982. - малюнок 4.15, с. 197. 6 2. Патент на корисну модель 94970 Україна, МПК Н05В7/144, H02J 3/18. Пристрій для живлення дугових печей, винахідник Кухарєв Олексій Леонідович, заявник та патентовласник Українська Інженерно-педагогічна академія. - № u201405967; заявл. 02.06.2014; опубл. 10.12.2014, Бюл. № 23. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 35 Пристрій для живлення дугових печей, що містить однофазні трансформаторні агрегати, кожен з яких містить головний трансформатор з первинною, регулювальною та вторинною обмотками, вольтододатковий трансформатор, у якому первинна обмотка головного трансформатора підключена до мережі змінного струму, а вторинні обмотки головного та вольтододаткового трансформатора з'єднуються послідовно та узгоджено і підключаються до електродів печі, причому система автоматичного управління дугової печі зв'язана з виходами датчика струму первинної обмотки вольтододаткового трансформатора та з виходами датчиків вхідної й вихідної напруг пристрою, який відрізняється тим, що містить високовольтний паралельнопослідовний регулятор потужності, який виконаний на базі силових перетворювальних блоків, що вхідними виводами підключені до окремих секцій регулювальної обмотки головного трансформатора, а вихідними виводами з'єднуються послідовно, причому кількість послідовно з'єднаних силових перетворювальних блоків та відповідно секцій регулювальної обмотки визначається діапазоном вихідної напруги пристрою, перший вихідний вивід першого з послідовно з'єднаних силових перетворювальних блоків підключений до одного з виводів первинної обмотки вольтододаткового трансформатора, а другий вихідний вивід останнього з послідовно з'єднаних перетворювальних блоків через вхідні кола датчика струму та датчика напруги з'єднаний з другим виводом первинної обмотки вольтододаткового трансформатора, кожен з силових перетворювальних блоків містить вхідні запобіжники, реактор, вхідний однофазний мостовий перетворювач, що виконанийна чотирьох IGBT-модулях зі зворотними діодами, ємнісну ланку та вихідний однофазний мостовий перетворювач, який виконаний на чотирьох IGBT-модулях зі зворотними діодами, і байпасне коло, що включено між першим та другим вихідними виводами силового перетворювального блока та виконано на базі зустрічнопослідовного з'єднання двох IGBT-модулів зі зворотними діодами, блок формування та розподілу імпульсів керування паралельно-послідовним регулятором потужності з одного боку підключений до системи автоматичного управління дугової печі, до датчиків струму та напруги, а з іншого боку - до локальних блоків управління кожного силового перетворювального блока. 4 UA 109180 U 5 UA 109180 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6