Преобразователь мощности для питания постоянным током электродуговой печи и блок преобразователя мощности

 

Изобретение касается преобразователя мощности для питания постоянным током электродуговой печи и блока преобразователя мощности. Преобразователь содержит по меньшей мере один трансформатор, первичная обмотка которого питается трехфазным переменным током и по меньшей мере одна вторичная обмотка которого выдает со своего выхода трехфазный ток, подаваемый на выпрямительные средства, с выхода которых на нагрузку подаются выпрямленные напряжение и ток, причем указанные выпрямительные средства содержат для каждой вторичной обмотки управляемые полупроводниковые элементы. Выпрямительные средства содержат схему типа колеса с обгонной муфтой, выполняющую функции колеса с обгонной муфтой, и указанные управляемые полупроводниковые элементы запускаются (по существу с меняющимися углами зажигания (отпирания) изменяемыми таким образом, что при уменьшении длительности проводящего состояния основных запущенных полупроводниковых элементов соответственно увеличивается длительность проводящего состояния элементов схемы "колеса типа обгонной муфты " и наоборот, что позволяет отдавать нагрузке по существу постоянные активную мощность или реактивную мощность независимо от колебаний полного сопротивления нагрузки. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 15 ил.

Изобретение касается преобразователя мощности для питания постоянным током электродуговой печи.

Подобные электродуговые печи используются, в частности, для плавления и последующего рафинирования металлолома.

Изобретение применимо более точно для питания постоянным током такой шихты, электрические параметры которой способны часто и существенно изменяться.

Наиболее широко известный метод питания электродуговых печей показан на фиг. 1.

Он состоит в том, что электроды непосредственно запитывают трехфазным переменным током: первый понижающий трансформатор 1 питает систему шин 2, распределяющих ток на один или несколько индивидуальных регулируемых трансформаторов 3, понижающих напряжение до желаемого уровня и непосредственно питающих печь 4. Эта последняя состоит из корпуса 5, в нижней части которого помещается металлолом 6, снабженного тремя подвижными электродами 7, каждый из которых связан с одной из фаз вторичной цепи понижающего трансформатора 3, который таким образом вызывает появление электрической дуги 8 между электродами 7 и металлоломом 6, вызывающей плавление, а затем и рафинирование (очистку) последнего.

Фиг. 2 и 3 иллюстрируют рабочие характеристики такой печи переменного тока, соответственно вольтамперную характеристику: напряжение (U_дуг/ток(I_дуг) и отношение реактивная мощность (Q)/активная мощность (P) для различных точек (моментов) хода печи (СС - точка, соответствующая работе при коротком замыкании, F - режиму, соответствующему плавлению металлолома, и A - его рафинированию).

Печь такого типа, питаемая переменным током, обеспечивает в значительной степени постоянную отдаваемую мощность ( ΔP очень мало), но характеризуется значительными колебаниями реактивной мощности ( ΔQ и величины тока ( ΔI ), при этом вне области короткого замыкания печь работает по существу с постоянной активной мощностью, однако значительные колебания реактивной мощности способны вызвать значительные отклонения напряжения в подающей цепи (входной цепи со стороны источника питания), вводя в нее электропомехи, в частности в форме "фликкера", то есть колебаний напряжения в полосе 0 - 30 Гц, ведущих к "пульсации" или мерцанию освещения.

В последние годы появилась тенденция замены такого питания переменным током на питание постоянным током с введением между выходным трансформатором и электродами преобразователя переменного тока в постоянный.

Питание постоянным током действительно дает два преимущества, являющихся определяющими, из которых вытекают все другие преимущества, заключающиеся в том, что: - положительным полюсом дуги является сам металлолом, твердый или в расплавленном состоянии, а подвижный электрод (единственный или множественный) служит отрицательным полюсом. Так как рассеяние энергии вдоль дуги нелинейно и более велико со стороны положительного полюса, то металлолом нагревается больше, чем электрод; - токовые перегрузки при коротких замыканиях, очень частых в период запуска плавки и в процессе плавления, ограничиваются преобразователем.

Благодаря этому уменьшается расход электрода, уменьшается реинжектирование электропомех во входную сеть, то есть явление фликкера, а также увеличивается производительность печи.

Общий тип преобразователей постоянного тока, применяемый до настоящего времени, схематично показан на фиг. 4.

Первичная обмотка 9 выходного (питающего печь) трансформатора питает одну или несколько вторичных обмоток 10 и 11, каждая из которых связана с соответствующим выпрямительным мостом 12 типа классической мостовой схемы Гретца на управляемых полупроводниковых элементах (тиристорах). Один вывод каждого моста связан с общим подвижным электродом 7, а другой обычно через сглаживающий реактор 13 - с соответствующим подовым электродом 14, находящимся в непосредственном контакте с металлоломом 6.

Структура моста Гретца, показанного схематично на фигурах под позицией 12, более подробно иллюстрируется на фиг. 5.

Эта структура содержит два ряда из трех тиристоров каждый (15 и 16), включенных по двойной параллельной (или трехфазной двухполупериодной) схеме соответственно с общим катодом и общим анодом, по другому электроду которых поступают по одной и той же схеме (звезда или треугольник) многофазные напряжения; каждый ряд тиристоров запускается с общим углом зажигания соответственно α₁ или α₂ .

Обычно для ограничения гармоник, инжектируемых в сеть, используют несколько шестиполупериодных мостов Гретца, каждый из которых запитывается от смещенных по фазе вторичных обмоток. Так на фиг. 4 показаны две вторичные обмотки 10 и 11, смещенные по фазе на 30^o путем их включения по схеме звезда-треугольник, запитывающих два моста Гретца, но такое решение может быть расширено, оно справедливо для схемы с тремя мостами Гретца (со смещением по фазе -20^o, 0^o, +20^o), с четырьмя мостами Гретца (смещения по фазе: 0^o, +15^o, +30^o и +45^o) и т.д., при этом каждый мост Гретца представляет собой шестиполупериодный элементарный преобразователь.

Таким образом, хотя в дальнейшем будет рассмотрена схема с двумя мостами Гретца, очевидно, что изобретение может быть справедливо и для большего числа выпрямителей, запитываемых от смещенных по фазе вторичных обмоток.

На фиг. 6 и 7 показано то же, что и на фиг. 2 и 3, но для случая устройства постоянного тока.

Как можно видеть, устройство работает с постоянным током, но в отличие от техники использования переменного тока со значительными колебаниями (изменениями) активной мощности. Можно также отметить хоть и меньшие, но все же еще заметные колебания реактивной мощности Q. Кроме того, в среднем, потребление реактивной мощности остается высоким, что обычно вызывает необходимость применения регулятора нагрузки 17 для выходного трансформатора, а также предполагает наличие довольно значительной батареи компенсации 18. В этом части устройство постоянного тока почти не вносит заметных улучшений по сравнению с устройством переменного тока.

Колебания ( Δ Q) реактивной мощности при переходе от одного режима работы к другому, однако, менее велики, чем в случае питания переменным током, отсюда и меньшие флуктуации напряжения во входной цепи (в сети со стороны источника питания) и уменьшение явления фликкера. Однако, в недостаточно правильно (с недостаточным запасом) рассчитанных сетях питания эти колебания напряжения, пропорциональные потребляемой реактивной мощности и обратно пропорциональные мощности короткого замыкания сети, остаются часто слишком большими, в частности, из-за фликкера, что заставляет использовать дополнительные и очень дорогостоящие корректирующие средства (устройства, называемые "противофликкерными" или "TCP_s"; Thyriston Control Reactor), как большей частью и в случае питания переменным током.

В то же время, если рассматривать мгновенные значения потребляемой реактивной мощности, то можно увидеть, что пиковые значения значительно снижены в случае питания постоянным током, так как регулирование тока, возможное благодаря преобразователю, является обычно достаточно быстрым и позволяющим ограничить токовую перегрузку при коротком замыкании до практически пренебрежимой величины.

Наиболее близким заявленному изобретению решением является устройство для питания дуговой печи постоянного тока [1].

В указанном устройстве, как и в заявленном, выпрямляющие средства содержат схему типа колеса с обгонной муфтой, выполненную в виде возвратного диода, подключенного параллельно нагрузке.

Одной из целей изобретения является устранение недостатков, присущих как системам питания переменным током, так и системам питания постоянным током, благодаря созданию новой структуры преобразователя постоянного тока, которая позволила бы существенно снизить потребление реактивной мощности и значительно улучшить вольтамперную характеристику для поддержания дуги постоянного тока при снижении общей стоимости преобразователя за счет упрощения выходного трансформатора (так как регулятор здесь не нужен) и значительно снизить размеры компенсационной батареи (обычно вдвое).

В частности, преобразователь переменного тока в постоянный позволяет работать по существу с постоянной активной мощностью, как в случае питания печи непосредственно переменным током, но с малой потребляемой реактивной мощностью и, не прибегая к увеличению размеров ни преобразователя, ни связанного с ним трансформатора.

В соответствии с данными изобретения возможно очень просто влиять на характеристику - отношение реактивная мощность/активная мощность (Q/P) таким образом, чтобы оптимизировать эту характеристику в зависимости от условий использования печи.

Можно, например, установить такую характеристику, которая минимизировала бы величину потребляемой реактивной мощности для данного режима функционирования печи, либо в качестве варианта характеристику, которая минимизировала бы колебания реактивной мощности относительно ее средней величины, в частности, для случая небольших размеров питающей сети, для таких сетей снижение фликкера - одно из главных требований как в плане эффективности (доведение до минимума помех, реинжектируемых в сеть), так и в плане стоимости установки (за счет устранения устройств "антифликкер").

Также можно выбрать характеристики работы печи такими, чтобы величина потребляемой реактивной мощности оставалась по существу постоянной, несмотря на возможные колебания тока, в частности, в случае колебаний полного сопротивления нагрузки.

Устройство, предлагаемое в настоящей заявке, является устройством общего вышеуказанного типа, то есть оно содержит по меньшей мере один трансформатор, на первичную обмотку которого поступает трехфазный переменный ток и по меньшей мере одна вторичная обмотка которого выдает трехфазный ток, подаваемый на выпрямительные средства, с выхода которых на нагрузку подаются выпрямленные ток и напряжение, а эти выпрямительные средства содержат для каждой вторичной обмотки трансформатора управляемые полупроводниковых элементы.

Согласно изобретению устройство отличается тем, что выпрямительные средства содержат цепь, работающую по принципу колеса с обгонной муфтой, а указанные управляемые полупроводниковые элементы (вентили) запускаются по существу с меняющимися углами зажигания (отпирания), причем углы зажигания меняются таким образом, чтобы увеличить продолжительность проводящего (открытого) состояния вентилей в цепи по типу колеса с обгонной муфтой с соответствующим уменьшением времени открытия (открытого состояния) запущенных вентилей выпрямительного моста и, наоборот, позволяя таким образом выдавать на нагрузку по существу постоянную активную мощность или реактивную мощность, несмотря на колебания полного сопротивления нагрузки.

Выгодно выполнять цепь обгонной муфты на диодах таким образом, чтобы преобразователь был нереверсивным.

Очень выгодно, чтобы трансформатор, имеющий по меньшей мере две вторичные обмотки при соответствующих выпрямительных средствах, питаемых этими вторичными обмотками, был выполнен таким образом, чтобы они были связаны между собой по схеме "смещения" так, чтобы соответствующие углы зажигания α₁ и α₂ были неравны между собой α₁ ≠ α₂. .

В этом случае в первом варианте осуществления изобретения углы управления открытием (зажиганием) α₁ и α₂ для данной точки хода плавки были выбраны, исходя из условия минимизации величины потребляемой реактивной мощности, то есть, чтобы ее результирующая средняя величина за цикл работы была минимальной.

Во втором варианте осуществления изобретения, напротив, углы управления открытием вентилей α₁ и α₂ выбраны для данного выпрямленного тока такими, чтобы минимизировать колебания, а именно в виде фликкера, реактивной мощности относительно ее средней величины.

Кроме того, углы управления открытием α₁ и α₂ могут быть выгодно выбраны такими, чтобы в случае отклонения выпрямленного тока средняя величина потребляемой реактивной мощности оставалась по существу постоянной.

Согласно предпочтительному варианту осуществления смещение является "параллельным". Предпочтительно предусмотреть наличие средств цикличного перекрестного переключения направления смещения соответствующих выпрямительных средств и/или средства для регулирования токов двух соответствующих выпрямительных средств, имеющего целью поддержание этих токов равными между собой.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения указанные управляемые полупроводниковые элементы выпрямительных средств каждой из вторичных обмоток включены по мостовой схеме Гретца, при этом один из выводов такого моста связан с отрицательным электродом нагрузки, а именно с подвижным электродом печи, а другой его вывод связан с соответствующим положительным электродом, а именно с подовым электродом, при этом схема "колеса с обгонной муфтой" включена между выводом соответствующей вторичной обмотки трансформатора и соответствующим этой обмотке мостом Гретца.

Можно также сгруппировать в одном блоке несколько выпрямителей, таких как показано, соответствующие трансформаторы которых будут записываться со смещением по фазе.

В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает схему электродуговой печи с непосредственным питанием переменным током согласно известному ранее техническому решению; фиг. 2 и 3 - соответственно вольтамперную характеристику и характеристику реактивная мощность/активная мощность согласно известному решению с питанием переменным током; фиг. 4 - электродуговую печь с питанием постоянным током через преобразователь согласно известному уровню техники; фиг. 5 - известную структуру моста Гретца, показанную более подробно; фиг. 6 и 7 - соответственно характеристики напряжение/ток и реактивная мощность/активная мощность такой известной печи, питаемой постоянным током; фиг. 8 - конфигурацию электродуговой печи с питанием постоянным током через преобразователь согласно изобретению; фиг. 9 - 11 - известные конфигурации включения нескольких преобразователей одинаковой структуры со смещением;
фиг. 12 и 13 - соответственно характеристики напряжение/ток и реактивная мощность/активная мощность печи, питаемой постоянным током через преобразователь, выполненный согласно изобретению, причем в нижней части фиг. 13 дан закон изменения углов открытия вентилей моста Гретца;
фиг. 14 - различные характеристики: реактивная мощность/активная мощность, которые возможно получить соответствующим подбором законов изменения углов открытия (зажигания) и которые позволяют адаптировать ход печи к различным условиям ее использования;
фиг. 15 - семейство характеристик: реактивная мощность/активная мощность, полученное при изменениях выпрямленного тока, вызванных снижением полного сопротивления нагрузки.

Основная идея изобретения заключается в соединении классической структуры тиристорного преобразователя с устройством по типу колеса с обгонной муфтой и установлении закона управления тиристорами, соответствующего по существу постоянной активной мощности, величина которой устанавливается соответствующей, с одной стороны, характеристикам дуги (для увеличения эффективности печи) и, с другой стороны, собственным возможностям преобразователя.

Устройство типа обгонной муфты, как известно, представляет собой устройство, запирающее (блокирующее) в одном направлении и проводящее в другом направлении, со смещением, позволяющим отдавать электрическую энергию, накопленную индуктивными элементами в течение проводящего периода тиристоров преобразователя, на нагрузку в течение периода, когда тиристоры заперты, следующего за периодом, в течение которого тиристоры находились в проводящем состоянии.

Устройство обгонной муфты согласно изобретению разрешает изменение коэффициента импульсного заполнения для импульсов проводящего состояния основных тиристоров (в зависимости от угла зажигания), причем длительность проводящего состояния в устройстве по типа колеса с обгонной муфтой увеличивается по мере ее уменьшения для основных тиристоров.

Согласно изобретению устройство по типу колеса с обгонной муфтой такого рода используется для увеличения амплитуды постоянного тока при уменьшении напряжения (или наоборот), при этом угол зажигания тиристоров увеличивается, а коэффициент импульсного заполнения импульсов проводящего состояния соответственно уменьшается (и наоборот). Таким образом, получаем работу по существу с постоянной активной мощностью, не прибегая к излишнему запасу надежности ни тиристоров, ни трансформаторов.

В иллюстрируемом примере, касающемся электродуговой печи, устройство обгонной муфты, как показано под позицией 19 на фиг. 8, предпочтительно выполняется на диодах 20, включенных между средней точкой вторичной обмотки 10 трансформаторов и каждым выходным зажимом моста Гретца 12, при этом, очевидно, диод имеет смещение в направлении, противоположном направлению протекания тока в диодах моста Гретца.

Использование диодов вместо тиристоров в устройстве обгонной муфты делает преобразователь нереверсивным по мощности.

Эта характеристика на первый взгляд может показаться недостатком, но в рассматриваемом случае применения она на самом деле предоставляет замечательные преимущества.

Действительно, в классическом мосте Гретца преобразователь выполнен "реверсивным в двух квадрантах" (однонаправленный постоянный ток, но двунаправленное постоянное напряжение), что делает его при регулировании тока особенно эффективным в случае закорачивания дуги, когда это короткое замыкание стремятся как можно скорее устранить плавлением металлолома, вызвавшего короткое замыкание (в решении с непосредственным питанием переменным током токовая перегрузка, следующая за коротким замыканием, напротив, помогала быстрее расплавить этот металлолом, но благодаря появлению пика реактивной мощности, крайне нежелательного).

Изобретение позволяет, делая преобразователь необратимым по мощности, удачно совместить эти две стороны: действительно, в момент короткого замыкания увеличившийся из-за нереверсивного (необратимого) характера структуры ток позволяет быстрее расплавить металлолом, вызвавший короткое замыкание, но это не вызывает появления пика реактивной мощности в сети со стороны источника питания, так как такое увеличение тока будет восприниматься только диодами устройства по типу колеса с обгонной муфтой. Более того, такое увеличение тока может контролироваться и оптимизироваться в зависимости от собственных характеристик электродов по условию их наименьшего износа.

В соответствии с другим аспектом изобретения выгодно выполнить трансформатор с несколькими вторичными обмотками, такими как 10 и 11, включенными по схеме, называемой "смещенной", а именно по типу "параллельного смещения" (по фазе), сочетание эффектов "обгонной муфты" и смещения позволяет при этом получить значительное снижение потребляемой реактивной мощности.

Более конкретно, техника фазового смещения, известная сама по себе, и иллюстрируемая на фиг. 9 - 11, заключается в таком соединении по меньшей мере двух преобразователей одинаковой структуры и таком смещении по фазе их управления зажиганием, чтобы воздействовать на потребляемую реактивную мощность; в этом случае говорят об "управлении со смещением" или "последовательном управлении". При использовании этого метода обычно включают последовательно со стороны выпрямленного тока два моста, как показано на фиг. 9 (схема, называемая "схемой с последовательным смещением").

В данном случае, поскольку постоянное напряжение, подаваемое на дугу, относительно мало по сравнению с возможностями очень мощных тиристоров, схема по типу "с последовательным смещением" привела бы к плохому технологическому использованию тиристоров. Поэтому предпочитают схему типа "с параллельным смещением", два возможных варианта которой показаны на фиг. 10 и 11.

В схемах "с параллельным смещением" на фиг. 10 и 11 соединяют два моста Гретца, каждый из которых на самом деле состоит из двух смещенных между собой полумостов, из-за чего образуются четные гармоники (в отличие от классического моста Гретца), но с перекрестным внутренним смещением обоих мостов, которое позволяет в сумме на выходе подавлять эти четные гармоники.

Однако классическая схема "с параллельным смещением" (то есть без устройства по типу колеса с обгонной муфтой), показанная на фиг. 10 и 11, имеет существенный недостаток - создает риск повторного срабатывания тиристоров, в частности, при постоянном напряжении, близком к нулю. Для ограничения этого риска раньше были вынуждены ограничивать диапазон отклонения углов зажигания, значительно снижая таким образом коэффициент усиления реактивной мощности.

Существенные преимущества, которые предоставляет заявленное сочетание смещения и принципа схемы колеса с обгонной муфтой, заключаются в полном устранении риска повторного переключения срабатывания тиристоров в случае применения устройства по типу колеса с обгонной муфтой вышеуказанного типа, позволяющего изменять коэффициент заполнения импульсов для импульсов проводящего состояния основных тиристоров. В этом случае в полной мере используется суммарный коэффициент усиления реактивной мощности при очень высокой надежности работы устройства.

На фиг. 8 показана полученная таким образом полная предложенная схема, включающая схему по типу колеса с обгонной муфтой с нейтралью с диодами и включением по типу "параллельного смещения".

В первом варианте осуществления изобретения стремятся с помощью соответствующего закона управления (переключением тиристоров) минимизировать в каждый момент времени (то есть для данной точки хода печи) потребляемую реактивную мощность Q и, следовательно, реактивную энергию. Этот случай, показанный на чертеже, соответствует ситуации, в которой приоритетным оптимизируемым параметром является снижение средней реактивной мощности.

Для достижения этого воздействуют на параметры регулирования α₁ и α₂ таким образом, чтобы получить максимальное смещение, то есть максимальную абсолютную величину разности α₁ - α₂ . Другой вид регулирования (так как имеется возможность воздействовать на оба параметра α₁ и α₂ по отдельности, возможно регулирование двух зависимостей) позволяет регулировать постоянный ток (или активную мощность) под нагрузкой.

На фиг. 12 и 13 показаны характеристики работы печи, полученные с помощью схемы на фиг. 8 в случае первого варианта осуществления изобретения (минимизации средней потребляемой реактивной мощности).

На фиг. 12 показана характеристика напряжение/ток, очень близкая к получаемой при непосредственном питании переменным током, то есть работу с постоянной мощностью (заштрихованная часть иллюстрирует улучшение показателей по сравнению с классическим преобразователем переменного тока в постоянный).

На фиг. 13 показана характеристика реактивная мощность/активная мощность для данной точки хода печи, то есть для постоянного тока дуги I_дуг (или выпрямленный ток I_d) постоянной величины и эквивалентного меняющегося сопротивления дуги.

Эта характеристика показывает, что потребляемая реактивная мощность остается меньшей приблизительно трети максимальной активной мощности, что представляет собой значительное улучшение по сравнению с известными решениями как в случае питания переменным током, так и в случае питания постоянным током (сравните с фиг. 3 и 7); кроме того, в нижней части фиг. 13 проиллюстрированы законы изменения углов зажигания α₁ и α₂ в зависимости от отдаваемой мощности.

Преимущества такой схемы заключаются в:
- устранении регулирующего устройства (под нагрузкой или на холостом ходу) трансформатора преобразователя,
- значительном снижении мощности компенсационно-фильтрационной батареи (по меньшей мере вдвое),
- заметном улучшении производительности по длительности и по количеству,
- снижении колебаний напряжения в сети со стороны источника питания,
- уменьшении фликкера,
- уменьшении потерь преобразователя,
- уменьшении гармоник и помех от преобразователя.

Указанные преимущества получены за счет добавления устройства по типу колеса с обгонной муфтой на диодах и специального расчета связей (сглаживающие реакторы, кабели, электроды) на выходе преобразователя со стороны нагрузки, обеспечивающего достаточный запас прочности по отношению к токовым перегрузкам, допустимым согласно изобретению. На практике это ведет к снижению капитальных затрат на электродуговую печь.

Во втором варианте осуществления изобретения подбирают закон управления, то есть закон изменения углов зажигания α₁ и α₂ в зависимости от отдаваемой мощности с целью не снижения потребляемой средней реактивной мощности, но снижения колебаний реактивной мощности относительно ее средней величины и, следовательно, снижения уровня фликкера, хотя при этом потребляется несколько большая средняя реактивная мощность.

Таким образом, получаем преобразователь, способный контролировать активную мощность, потребляя при этом реактивную мощность постоянной величины, которая может при этом быть компенсирована простой конденсаторной батареей постоянной емкости (типа, показанного под позицией 18 на фиг. 4), что позволяет полностью освободиться от необходимости использования дорогостоящего устройства типа "TCP" или "антифликкер" даже при очень маломощной сети питания.

Более конкретно, в этом варианте осуществления изобретения сохраняется общая схема по фиг. 8 (то есть схема с мостом Гретца и устройством обгонной муфты со смещением) с таким законом управления параметрами α₁ и α₂ , который, в отличие от предыдущего случая, не стремится максимизировать смещение α₁ - α₂ .

На фиг. 14 показана характеристика реактивной мощности Q/ активная мощность P для некоторой данной точки хода печи, то есть для тока дуги I_дуг (или выпрямленного тока I_d), постоянного по величине, и меняющейся эквивалентного сопротивления дуги. На этой фигуре:
- характеристика I соответствует классической схеме преобразователя без устройства по типу колеса с обгонной муфтой и без смещения (то есть характеристике по фиг. 7);
- характеристика II соответствует схеме с устройством по типу колеса с обгонной муфтой, но без всякого смещения, то есть схеме по фиг. 8, но с α₁ = α₂ ;
- характеристика III соответствует той же схеме с максимальным смещением, то есть максимальной абсолютной величине α₁ - α_{2 max} (характеристика, иллюстрированная на фиг. 13).

Понятно, что между смещением, равным нулю, и максимальным смещением можно получить бесконечное число разных характеристик, и все они будут располагаться в заштрихованной зоне между характеристиками II и III.

Более точно, эти характеристики определяются следующими отношениями:

где
P - активная мощность,
Q - реактивная мощность,
R - эквивалентное сопротивление дуги,
I_d - выпрямленный ток,
E_d - выпрямленное напряжение под нагрузкой,
E_d0 - выпрямленное напряжение на холостом ходу при нулевом смещении,
f_p, f_q - функции углов зажигания.

Таким образом, для некоторой данной рабочей точки, то есть для некоторых данных R и I_dP будут заданными, а Q будет регулируемой в некотором диапазоне.

Можно, например, задаться постоянной Q, что соответствует характеристике IV, или также любой другой характеристикой, находящейся в заштрихованной зоне. Определив таким образом I_d, P и Q, выведем непосредственно из них α₁ и α₂ .

Кроме того, если предположить, как показано выше, что необходимо поддерживать по существу постоянной активную мощность, увеличивая ток I_d при убывании эквивалентного сопротивления дуги (и наоборот), то рабочая точка передвинется и можно будет получить смещение характеристики на этой диаграмме.

Предположим теперь, что решение системы из двух уравнений с двумя неизвестными, приведенной выше, обеспечивает для некоторой данной рабочей точки с током постоянной величины такую характеристику, как показано под позицией V на фиг. 14, то есть монотонно возрастающую функцию Q = f(P). В этом случае при изменении тока I_d характеристика V передвинется, как показано на фиг. 15, определяя таким образом семейство характеристик, каждая из которых соответствует некоторой данной точке (току I_d) хода печи. В этом случае выбрать монотонно убывающий закон изменения I_d = f(P), такой, при котором Q остается постоянной, несмотря на изменения I_d.

В этом последнем случае предлагается преобразователь, обеспечивающий на всем диапазоне хода печи (или по крайней мере на большей его части) одновременно постоянные реактивную мощность Q и активную мощность P.

К общей схеме, описанной выше, могут быть добавлены различные усовершенствования.

В первую очередь, выгодно предусмотреть циклическое переключение направлений смещения обоих мостов α₁ + α₂ для одного из мостов и α₂ + α₁ для другого моста) с целью сбалансировать нагрев полупроводниковых элементов и ограничить риск появления постоянной составляющей, вредной для магнитной индукции трансформатора.

Период такого циклического переключения может быть рассчитан в зависимости от термической постоянной времени полупроводниковых элементов и от предельно допустимой постоянной составляющей для трансформаторов. Что касается момента переключения в периоде, то он должен выбираться из условия минимизации амплитуды результирующего переходного тока коммутации со стороны сети переменного тока или со стороны постоянного тока с тем, чтобы этот переходный ток не превышал таких токов, возникающих при естественных колебаниях дуги.

Во-вторых, может быть предусмотрена двойная регулировка по току, а именно раздельная регулировка токов каждого из двух мостов Гретца, включенных параллельно, или (что лучше) одновременное регулирование суммы двух токов и их равенства между собой (регулирование типа с несколькими переменными в диагонали моста).

В случае рассогласования двух мостов появляется плохая компенсация четных гармоник и может возникнуть необходимость ограничения этого рассогласования (ограничение ), имеющего целью свести четные гармоники к приемлемому уровню. Такой риск может иметь место, когда два моста Гретца не вполне идеально соединены в параллель, а именно, когда соединение осуществлено не на уровне выходных зажимов (со стороны нагрузки) сглаживающих реакторов, а на уровне двух подовых электродов, которые должны быть электрически связаны между собой через жидкий металл.

В-третьих, можно включить между ними несколько однотипных блоков, таких как показано на фиг. 9, питаемых от смещенных по фазе трансформаторов для уменьшения гармоник. Смещение по фазе трансформаторов предпочтительно осуществляется на уровне первичных обмоток, например, путем соединения обмоток по схеме "треугольник" - "зигзаг" или "треугольник с промежуточным отводом".

Формула изобретения

1. Преобразователь мощности для питания постоянным током электродуговой печи, содержащий по меньшей мере один трансформатор, первичную обмотку которого запитывают трехфазным переменным током и ток с по меньшей мере одной вторичной обмотки которого подают на выпрямляющие средства, с выхода которых на нагрузку подают выпрямленные напряжение и ток и которые содержат на каждую вторичную обмотку управляемые полупроводниковые элементы, кроме того, выпрямляющие средства содержат схему типа колеса с обгонной муфтой, отличающийся тем, что указанные управляемые полупроводниковые элементы запускают меняющимися углами зажигания, изменяемыми так, что длительность проводящего состояния возрастает в схеме колеса с обгонной муфтой с уменьшением длительности проводящего состояния запущенных полупроводниковых элементов и наоборот, и так, чтобы на нагрузке выделялась постоянная активная или реактивная мощность независимо от изменений полного сопротивления нагрузки.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что схема типа колеса обгонной муфты представляет собой схему на диодах, служащую для того, чтобы сделать преобразователь нереверсивным.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что трансформатор содержит по меньшей мере две вторичные обмотки и запитываемые от них соответствующие выпрямляющие средства соединены между собой по схеме со сдвигом (смещением) с углами зажигания, соответственно α₁ и α₂, причем α₁≠ α₂.
4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что углы зажигания α₁ и α₂ выбирают для данной конкретной точки хода печи из условия минимизации величины потребляемой реактивной мощности, при этом средняя результирующая ее величина за рабочий цикл минимальна.

5. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что углы зажигания α₁ и α₂ выбирают для данного выпрямленного тока I_d такими, чтобы минимизировались колебания в частности в форме фликкера реактивной мощности относительно ее средней величины.

6. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что углы зажигания α₁ и α₂ выбирают такими, чтобы при изменениях выпрямленного тока I_d средняя величина потребляемой реактивной мощности оставалась постоянной.

7. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что выпрямительные средства соединены между собой по схеме с параллельным смещением (фазовым).

8. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что предусмотрены средства для циклического переключения направления смещения обоих соответствующих выпрямительных средств.

9. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что предусмотрены средства для регулирования токов двух соответствующих выпрямительных средств для обеспечения равенства этих токов между собой.

10. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что указанные управляемые полупроводниковые элементы выпрямительных средств, соответствующие каждой вторичной обмотке, включены по мостовой схеме Греца, один из выводов которой связан с отрицательным электродом нагрузки, а именно с подвижным электродом печи, а другой вывод - с положительным электродом, а именно с подовым электродом, при этом схема типа колеса с обгонной муфтой включена между выводами соответствующей вторичной обмотки трансформатора и соответствующим мостом Греца.

11. Блок преобразователя мощности, отличающийся тем, что он содержит несколько преобразователей мощности по п.1, соответствующие трансформаторы которых запитываются со смещением по фазе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15