Электронная переключательная схема и способ подачи электрической энергии в электропечь переменного тока
Изобретение относится к электронной переключательной схеме для подачи электрической энергии, по меньшей мере, в один электрод (11) электропечи переменного тока, в частности, для плавления металла. Технический результат заключается в предотвращении перегрузки регулируемого преобразователя (8) переменного тока в режимах работы электропечи с большими электродными токами и в упрощении конструкции переключающей схемы. Переключательная схема содержит последовательную схему, состоящую из трансформатора для обеспечения питающего напряжения для электропечи из электросети (1), и включенного между трансформатором (6) и электродом (11) регулируемого преобразователя (8) переменного тока для регулирования тока через электрод (11). Регулируемый преобразователь переменного тока шунтирован разделительным выключателем (9), который замыкается или размыкается с помощью управляющего устройства в зависимости от величины проходящего через электрод (11) тока. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к электронной переключательной схеме и способу для питания, по меньшей мере, одного электрода электропечи переменного тока, в частности, для плавления металла посредством подвода энергии.
Изобретение применимо к электропечам для производства цветных металлов, ферросплавов, технологических шлаков, стали, а также для рафинирования шлаков.
Такая электронная переключательная схема для питания электропечи переменного тока известна из выложенной заявки Германии DE 2 034 874. Раскрытая электронная переключательная схема подключена между электросетью и, по меньшей мере, одним электродом электропечи. Она содержит последовательную схему, состоящую из включателя/выключателя электропечи, трансформатора для обеспечения питающего напряжения для электропечи из электросети и включенного между трансформатором и электродом регулируемого преобразователя переменного напряжения для регулирования тока, пропускаемого через электрод.
Регулируемый преобразователь переменного напряжения обычно состоит из двух антипараллельно включенных тиристоров и реализует регулирование напряжения в виде фазового управления. При этом тиристоры, которые образуют мощностную часть преобразователя напряжения, обычно выбираются для всего рабочего диапазона электропечи, то есть для очень большого диапазона токов. Специально в мощных печах, которые работают с большими питающими напряжениями, необходимы, как правило, тиристоры очень дорогого конструктивного ряда вследствие очень высоких напряжений запирания тиристоров. Однако тиристоры с большими напряжениями запирания, как правило, не могут переключать большие токи; поэтому для переключения больших токов, которые могут вполне возникать в определенные рабочие периоды, в частности, в резистивном режиме электропечи, необходимо включать параллельно несколько отдельных тиристоров или даже целых регулируемых преобразователей переменного напряжения. Только так можно пропускать необходимые, по меньшей мере, в отдельные рабочие периоды большие токи электродов. Поэтому для обеспечения надежной работы электропечи во всех рабочих режимах, в частности, также при высоких токах электродов необходимы обычно дорогие и сложные схемы полупроводниковых преобразователей электроэнергии.
Исходя из этого уровня техники в основу изобретения положена задача модификации известной электронной переключательной схемы и способа для подачи электроэнергии в электропечь переменного тока с упрощением ее конструкции и стоимости так, чтобы эффективно обеспечить работу электропечи во всех рабочих режимах, в частности, также при больших токах электрода.
Эта задача решена с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. В соответствии с ними электронная переключательная схема согласно изобретению для питания электропечи переменного тока характеризуется тем, что предусмотрено устройство для измерения величины протекающего через электрод тока, шунтирующий разделительный выключатель, который включен параллельно регулируемому преобразователю переменного напряжения, и управляющее устройство для размыкания и замыкания шунтирующего разделительного выключателя в зависимости от величины протекающего через электрод тока.
Указанные характерные признаки являются очень простыми и поэтому могут быть реализованы с небольшими затратами. В конфигурации согласно изобретению они предпочтительно обеспечивают шунтирование регулируемого преобразователя переменного напряжения при опасной перегрузке, то есть во время рабочих режимов, которые требуют особенно большого тока электрода. Эти рабочие состояния, такие как, например, резистивный режим с погруженными электродами и без электрической дуги, предпочтительно не требуют специального регулирования тока электрода с помощью регулируемого преобразователя переменного тока; в это время его работа не обязательна и его можно шунтировать согласно данному изобретению. В других рабочих режимах электропечи, например во время резистивного режима с электрической дуги, шунтирующий разделительный выключатель согласно изобретению размыкается, что приводит к тому, что в этом случае электрический ток проходит через регулируемый преобразователь переменного тока и может им регулироваться. Обычно величина тока, пропускаемого через электрод во время работы с электрической дугой, меньше, чем во время резистивного режима без электрической дуги.
На основе осуществляемого с помощью шунтирующего разделительного выключателя ограничения тока через регулируемый преобразователь переменного тока его можно выполнять предпочтительно намного меньше, проще и экономичней без ограничений для работы электропечи.
Предусмотрение дополнительных разделительных выключателей непосредственно перед и после регулируемого преобразователя переменного тока обеспечивает то преимущество, что при замкнутом шунтирующем разделительном выключателе, то есть когда регулируемый преобразователь переменного тока шунтирован, его можно извлекать из электронной переключательной схемы для выполнения, например, технического обслуживания, без прерывания тока электрода и тем самым работы электропечи.
За счет предусмотрения согласно изобретению шунтирующего разделительного выключателя обеспечивается очень простое и экономичное согласование электронной переключательной схемы с различными рабочими режимами электропечи, которые возникают вследствие различных металлургических требований.
Кроме того, указанная выше задача решена с помощью способа согласно изобретению для подачи электроэнергии в электропечь переменного тока, соответственно, в электрод. Преимущества этого способа соответствуют преимуществам, указанным выше применительно к электронной переключательной схеме, согласно изобретению.
Предпочтительные варианты выполнения как электронной переключательной схемы, так и способа, согласно изобретению являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Ниже приводится описание чертежей, на которых изображено:
фиг. 1 - электронная переключательная схема согласно изобретению;
фиг. 2 - типичная диаграмма напряжения, тока и мощности (U-I-P) для восстановительной электропечи;
фиг. 3 - разрез электрода и расплава в электропечи, а также соответствующая схема замещения для этого участка электродного тока; и
фиг. 4 - диаграмма по фиг. 2 с дополнительно изображенными различными рабочими диапазонами электропечи и изображенным предельным значением тока.
Ниже приводится подробное описание изобретения на примерах выполнения со ссылками на указанные фигуры.
Обычно для плавления стали применяют электропечи с тремя или шестью электродами. В печах с шестью электродами электроды 11 включают попарно для ввода электроэнергии в резервуар 12 печи. В электропечах с 3 электродами электроды 11 включают обычно по «ранцевой» схеме для уменьшения реактивного сопротивления линии большого тока. В качестве альтернативного решения к «ранцевой» схеме можно использовать также схему соединения электродов звездой.
На фиг. 1 показана электронная переключательная схема согласно изобретению для подачи электроэнергии в электропечь. На фиг. 1 показана схема для одной фазы; соответствующие переключательные схемы могут быть предусмотрены для других фаз.
Снабжение электропечей электроэнергией обычно осуществляется из сети 1 среднего напряжения. Между сетью среднего напряжения и электродом 11 электронная переключательная схема содержит печной трансформатор 6, который своей первичной стороной обращен к сети среднего напряжения, называемой в последующем также электросетью, а своей вторичной стороной - к электроду 11. Между электросетью 1 и первичной стороной печного трансформатора 6 в электронной переключательной схеме предусмотрена первая последовательная схема, содержащая устройство 2 измерения напряжения, мощный печной переключатель 3 для включения или выключения электропечи, устройство 4 измерения тока, не обязательно, переключатель звезда-треугольник для выборочного включения первичной обмотки печного трансформатора по схеме звезды или треугольника, а также защиту 6 от перенапряжений. Переключатель со звезды на треугольник обеспечивает сдвиг диапазона расчетного напряжения печного трансформатора 6, например, на коэффициент 1,73 вверх или вниз.
Между вторичной стороной печного трансформатора 6 и электродом 11 в электронной переключательной схеме предусмотрена вторая последовательная схема, состоящая из первого разделительного выключателя 10а, регулируемого преобразователя 8 переменного тока и второго разделительного выключателя 10b. Разделительные выключатели 10а и 10b обеспечивают при замкнутом разделительном выключателе 9 большого тока электрическое отделение, соответственно, удаление, регулируемого преобразователя 8 переменного тока, например, для выполнения технического обслуживания, без прерывания работы печи, в частности, резистивного режима с погруженными электродами и без электрической дуги. Регулируемый преобразователь 8 переменного тока обеспечивает регулирование электродного тока в виде фазового управления.
Согласно изобретению электронная переключательная схема дополнена включенным параллельно регулируемому преобразователю 8 переменного тока и, не обязательно, параллельно также первому и второму разделительному выключателю 10а и 10b, шунтирующим разделительным выключателем 9, управление которым осуществляется с помощью управляющего устройства 14. Оно управляет шунтирующим разделительным выключателем 9 в зависимости от измеренной с помощью устройства 4 измерения тока величины текущего через электрод тока. Управляющее устройство 14 может быть выполнено в виде управления с программируемой памятью, управляющего вычислительного устройства или другой системы на основе компьютера.
После описания конструкции электронной переключательной схемы ниже приводится описание принципа действия электропечи во взаимодействии с электронной переключательной схемой согласно изобретению.
На фиг. 2 показана типичная диаграмма напряжения, тока и мощности U-I-P для восстановительной электропечи с 6 электродами. В этой диаграмме показаны линии 100 активной мощности в зависимости от вторичного тока, нанесенного на оси ординат, и вторичного напряжения, нанесенного на оси абсцисс. Семейство 400 характеристических кривых характеризует сопротивление печи. При этом полное сопротивление короткого замыкания электропечи представлено характеристической кривой 300. Эти характеристические кривые на диаграмме справедливы лишь для постоянного угла зажигания тиристоров. При большем или меньшем угле зажигания характеристические линии сдвигаются по оси абсцисс.
Характеристические линии 4а и 4b показывают максимально допустимый ток через электрод в зависимости от вторичного напряжения при включении «звездой» трансформаторных обмоток (4а) на первичной стороне и при включении «треугольником» трансформаторных обмоток (4b) на первичной стороне. Характеристическая линия 500 показывает максимальный расчетный ток регулируемого преобразователя 8 переменного тока согласно изобретению, то есть пороговое значение тока.
Обычно для электропечей различают в зависимости от процесса, применяемых материалов и продуктов, по существу следующие металлургические рабочие состояния:
а) резистивный режим с погруженными электродами и без электрической дуги;
b) резистивный режим с небольшой электрической дугой; и
с) режим с большой долей электрической дуги.
Ниже приводится описание этих трех рабочих состояний.
Резистивный режим с погруженными электродами и без электрической дуги
Необходимая для процесса энергия создается посредством резистивного нагревания шлака. Электроды 11 значительно погружены в шлак, при этом глубина погружения зависит, помимо прочего, от диаметра электродов, однако, как правило, она составляет более примерно 200 мм. В этом рабочем режиме электрический ток проходит через шлак, при этом электрическая энергия за счет электрического сопротивления шлака преобразуется в джоулево тепло, которое ускоряет металлургические эндотермические реакции, например, восстановления, и плавление. Резистивный режим с погруженными электродами и без электрической дуги характеризуется большими электродными токами и относительно низкими вторичными напряжениями, которые лежат значительно ниже 1000 В.
В этом рабочем режиме при погруженных электродах не существует особых требований к регулированию. Поэтому электропечь может работать обычным образом, то есть без регулирования тока. Поэтому при этом режиме рекомендуется замыкать шунтирующий разделительный выключатель 9 и тем самым шунтировать регулируемый преобразователь 8 переменного тока. Таким образом, мощные полупроводниковые приборы, обычно тиристоры, защищаются в регулируемом преобразователе 8 переменного тока от слишком больших токов.
Резистивный режим с небольшой электрической дугой
Основная часть необходимой для этого режима электропечи энергии выделяется посредством резистивного нагревания шлака. При этом через шлак проходит ток, за счет чего электрическая энергия за счет сопротивления шлака преобразуется в джоулево тепло. При этом джоулево тепло способствует металлургическим эндотермическим реакциям, например, восстановлению, и плавлению. Дополнительная, меньшая величина энергии может вызываться возникающей в нижней зоне электродов или между электродами электрической дугой. Это достигается лишь при минимально погруженных электродах или при положении электродов непосредственно над шлаковой ванной. Для этого рабочего режима обычно требуются относительно большая сила тока и сравнительно низкие напряжения (см. фиг. 4, зона b). Однако в этом рабочем режиме напряжения значительно выше, чем при погруженных электродах. Конкретно, вторичные напряжения обычно лежат в диапазоне вокруг 1000 В для печей с мощностью около 30 - 50 МВт.
Резистивный режим с электрической дугой
В этом режиме наибольшая часть энергии вносится с помощью электрических дуг. Электрические дуги переносят свое излучаемое тепло непосредственно в слой шихты и шлака в печи. При этом принципиально различают режим работы с открытой электрической дугой и режим работы с закрытой электрической дугой.
При работе с открытой электрической дугой электрическая дуга идет на шихту M, соответственно, шлак S без использования бокового теплового излучения (см. фиг. 3), при этом позицией N обозначена зона незакрытой электрической дуги. На фиг. 3 показана также электрическая схема для пути прохождения электрического тока через электрод 11, электрическую дугу L, шлак S и расплавленный металл 15. В качестве идеализации можно принять омическое сопротивление электрода 11 и расплавленного металла 15 равным нулю. В этом случае остаются для электродного тока омическое сопротивление RL электрической дуги L и омическое сопротивление RS шлака S.
При работе с закрытой электрической дугой краевая зона электрода 11 частично закрыта шихтой M, как показано на фиг. 3 на правой кромке электрода. Наряду с энергией электрической дуги примерно одинаковая или несколько меньшая часть вносимой энергии создается за счет резистивного нагревания в электродах. Для этого режима работы с высокой долей электрической дуги обычно необходимы меньшие токи при высоких напряжениях (см. фиг. 4, диапазон с).
При этом напряжения в печах с мощностью свыше 30 - 50 МВт обычно составляют свыше 1000 В. Предъявляются высокие требования к регулированию электродного тока из-за не линейного и стохастического поведения электрических дуг с тенденцией к нестабильности. В рабочем режиме с) весь необходимый электродный ток проходит через регулируемый преобразователь 8 переменного тока и регулируется в нем. При этом разделительный выключатель 9 большого тока разомкнут.
Переход между рабочими режимами b) и с) является плавным. Принципиально действует правило, что лишь при увеличении мощности за счет повышения вторичного напряжения трансформатора 6 при увеличивающейся доле электрической дуги L во вносимой энергии (см. фиг. 3) и при понижении электродного тока ниже порогового значения 300 тока размыкается шунтирующий разделительный выключатель 9 и замыкаются первый и второй разделительные выключатели 10а, 10b. Таким образом, в этом случае подключается регулируемый преобразователь переменного тока и служит для оптимирования ввода энергии. И наоборот, регулируемый преобразователь 8 переменного тока необходимо снова своевременно выводить из электрического контура при падении ввода энергии за счет электрических дуг, при падении вторичного напряжения и при увеличивающемся электродном токе, то есть принципиально при превышении электродным током порогового значения тока. Пороговое значение 300 тока (фиг. 2) для размыкания шунтирующего разделительного выключателя 9 принципиально является идентичным пороговому значению тока для замыкания шунтирующего разделительного выключателя. Однако для обоих процессов возможны также различные пороговые значения тока, например, комбинированные в одном гистерезисе.
На фиг. 4 показан, аналогично фиг. 2, пример для определения параметров электронной переключательной схемы согласно изобретению для ввода энергии в электропечь с 6 электродами для производства FeNi с мощностью 129 МВА. Так же, как на фиг. 2, и здесь кривая 300 характеризует максимальный ток через регулируемый преобразователь 8 переменного тока и тем самым пороговое значение тока для переключения шунтирующего разделительного выключателя 9. При электродных токах свыше этого порогового значения тока регулируемый преобразователь 8 переменного тока шунтируется, за счет чего снимается электрическая нагрузка регулируемого преобразователя переменного тока. Это имеет то преимущество, что регулируемый преобразователь 8 переменного тока в целом и, в частности, его мощные полупроводниковые приборы могут иметь значительно меньшие параметры, за счет чего обеспечивается простое и экономичное решение.
Если даже электропечи, в частности восстановительные электропечи, выполнены для рабочих режимов b) и с), то во время пускового режима и режима частичной нагрузки они могут работать с замкнутым шунтирующим разделительным выключателем 9, то есть с шунтированным регулируемым преобразователем 8 переменного тока.
1. Электронная переключательная схема для подачи электрической энергии, по меньшей мере, в один электрод (11) электропечи переменного тока, в частности, для плавления металла, содержащая включенные последовательно: трансформатор (6) для обеспечения питающего напряжения для электропечи из электросети (1) и включенный между трансформатором (6) и электродом (11) регулируемый преобразователь (8) переменного тока для регулирования тока через электрод (11), отличающаяся тем, что предусмотрено устройство (4) измерения тока для измерения величины проходящего через электрод тока; шунтирующий разделительный выключатель (9), который включен параллельно регулируемому преобразователю (8) переменного тока, и управляющее устройство (14) для размыкания и замыкания шунтирующего разделительного выключателя (9) в зависимости от величины протекающего через электрод (11) тока.
2. Электронная переключательная схема по п.1, отличающаяся тем, что между трансформатором (6) и регулируемым преобразователем (8) переменного тока включен первый разделительный выключатель (10а) и между регулируемым преобразователем (8) переменного тока и электродом (11) - второй разделительный выключатель (10b).
3. Электронная переключательная схема по п.2, отличающаяся тем, что шунтирующий разделительный выключатель (9) включен так, что он шунтирует последовательное соединение из первого разделительного выключателя (10а), регулируемого преобразователя (8) переменного тока и второго разделительного выключателя (10b).
4. Способ подачи электрической энергии, по меньшей мере, в один электрод (11) электропечи переменного тока, в частности, для плавления металла, содержащий следующие стадии: обеспечения питающего напряжения для электропечи из электросети (1) и регулирования тока через электрод (11) с помощью регулируемого преобразователя (8) переменного тока, отличающийся тем, что измеряют величину проходящего через электрод тока и шунтируют регулируемый преобразователь переменного тока с помощью соединения накоротко в зависимости от величины измеренного тока.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что регулируемый преобразователь (8) переменного тока шунтируют тогда, когда величина тока через электрод (11) превышает заданное пороговое значение тока.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что электропечь работает в пусковом режиме, режиме поддержания температуры или в резистивном режиме без электрической дуги, когда величина тока превышает заданное пороговое значение тока.
7. Способ по п.5, отличающийся тем, что электропечь работает в резистивном режиме с электрической дугой, когда величина тока лежит ниже заданного порогового значения тока.
8. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что регулируемый преобразователь (8) переменного тока, когда он шунтирован, во время работы электропечи извлекают из электронной переключательной схемы для питания электрода, например, для выполнения технического обслуживания.
