Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ОБРАТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ

Изобретение относится к устройству для уменьшения обратных воздействий на электрическую сеть при эксплуатации электродуговой печи. Электродуговая печь имеет три ветви в каждом случае с одним электродом и с одной согласованной внешней линией для подвода электрической энергии. В каждой ветви предусмотрен датчик для измерения протекающего в данный момент тока и датчик для измерения приложенного в данный момент напряжения. Блок управления и регулировки вычисляет для каждой ветви из временной характеристики тока и напряжения характеристическую фактическую, электрическую величину.

Кроме того, изобретение относится к способу для уменьшения обратных воздействий на сеть при эксплуатации электродуговой печи.

Патент Германии DE 3512189 C1 раскрывает способ и устройство для управления электродуговыми печами. При этом должны создаваться условия для точной, экономичной и реализуемой с технической точки зрения без больших затрат регулировки напряжения электрической дуги и положения электродов по высоте. Элемент регулировки - напряжение трансформатора постоянно управляется системой регулировкой мощности. Совмещенный с регулятором тока регулятор мощности поставляет также задающую величину для регулятора тока. Во всех случаях на перемещение электродов непосредственно воздействует только регулятор тока. Таким образом, для использованного привода переключателя ступеней трансформатора возникает возможность либо подавать напряжение трансформатора непосредственно при помощи установки заданного значения, либо переключателем ступеней регулировать напряжение трансформатора при помощи упомянутого регулятора мощности. Подъемный привод приводится в действие регулятором напряжения, причем соответствующее управляющее напряжение предоставляется либо из регулятора тока, либо из регулятора износа, либо непосредственно в виде предварительно установленного заданного значения.

Европейская заявка EP 2362710 A1 раскрывает электродуговую печь и способ эксплуатации электродуговой печи. Соотнесенная с, по меньшей мере, одним электродом электрическая дуга имеет первую мощность излучения, которая получается на основе первого установленного набора рабочих параметров. Электродуговая печь эксплуатируется согласно заданному графику работы, который основывается на ожидаемом ходе процесса. Осуществляется наблюдение за тем, существует ли нежелательное различие между действительным ходом процесса и ожидаемым ходом процесса. При этом при наличии расхождения задается измененная вторая мощность излучения. Посредством измененной второй мощности излучения определяется измененный второй набор рабочих параметров. Способ позволяет достигать минимально возможное время расплавления при бережном отношении к эксплуатационным средствам, в частности к системе охлаждения электродуговой печи.

Немецкая выложенная заявка DE 3543773 A1 описывает способ эксплуатации электродуговой печи, так что при сильно колеблющемся исходном материале (сырье) возможно расплавление этого материала с минимальным значением удельного потребления электрической энергии. Печной трансформатор оснащен переключателем ступеней нагрузки, и таким образом выходное напряжение на вторичной стороне трансформатора может регулироваться. Управление осуществляется посредством смены ответвлений обмотки печного трансформатора или посредством поднятия и опускания графитовых электродов при помощи подъемного устройства для электродов, для того чтобы изменять длину электрической дуги. Одновременно измеряется сила электрического тока, который течет от вторичной стороны печного трансформатора к электроду электродуговой печи.

Немецкая заявка DE 10 2009 017 196 A1 раскрывает переключатель ступеней с полупроводниковыми коммутационным элементами для безразрывного переключения между неподвижными контактами переключателя ступеней, которые электрически соединены с ответвлениями обмотки ступенчатого трансформатора. При этом каждый из неподвижных контактов переключателя ступеней может соединяться с ответвлением нагрузки напрямую или, во время переключения, при помощи промежуточных, полупроводниковых, переключательных элементов. Ответвление нагрузки имеет неподвижные, раздельные, контактные элементы ответвления, чтобы полупроводниковые коммутационные элементы во время постоянной эксплуатации были гальванически развязаны с обмоткой трансформатора. У переключателя же ступеней с полупроводниковыми коммутационными элементами обнаруживаются различные недостатки. Благодаря длительному приложению рабочего напряжения и нагружению силовой электроники напряжением грозового импульса требуются большие изоляционные промежутки, что является нежелательным.

В немецкой заявке DE 2742221 A1 раскрыт способ для предотвращения вредных явлений мерцания при эксплуатации электродуговых печей. Электрическая энергия подается через трансформатор с регулировкой переключателем ступеней, причем уровень мерцания постоянно регистрируется при помощи прибора для измерения мерцания. Результаты измерений преобразовываются в устройстве обработки в сигнал, который сравнивается с предварительно установленным заданным значением, которое соответствует допустимому базовому значению мерцания. При превышении заданного значения в течение заданного промежутка времени при помощи последовательно подключенного устройства управления выдается командный импульс для переключения переключателя ступеней нагрузки на более низкую ступень напряжения вторичной обмотки. При понижении же ниже нижнего заданного значения устройством управления подключается более высокая ступень напряжения вторичной обмотки.

Как известно из уровня техники, электрическими элементами для регулировки или управления работой электродуговой печи являются печной трансформатор, дроссельная катушка и система несущих рычагов для электродов. Выработка энергии для электродуговых печей трехфазного тока осуществляется печными трансформаторами с встроенным переключателем ступеней. Благодаря ступеням трансформатора может устанавливаться соответствующий подвод энергии.

Подключаемая под нагрузкой дроссельная катушка, которая подключена на входе трансформатора, служит для регулировки реактивного сопротивления токовой цепи и вследствие этого создает условия для эксплуатации печи с устойчивыми электрическими дугами, а также для ограничения тока короткого замыкания. В зависимости от хода выполнения процесса выбирается подходящая ступень как на трансформаторе, так и на ступенчатом дросселе. Это может осуществляться посредством ручного вмешательства оператора печи, посредством встроенной системы управления или регулировки.

При ручном управлении опытный оператор печи может на основе состояния расплава оценивать состояние процесса. Так может вестись субъективное наблюдение за состоянием печи и процессом расплавления. При критических ситуациях (например, при повреждении огнеупора) ступень трансформатора адаптируется.

При автоматическом управлении в зависимости от текущего подвода энергии адаптируются ступени трансформатора и при необходимости ступени дросселя. Как правило, на начальной фазе " фазе проплавления" требуется высокая индуктивность, для того чтобы поддерживать наиболее устойчивую электрическую дугу (дроссель регулирования под нагрузкой - наивысшая ступень). На последней фазе "жидкая ванна" ступенчатый дроссель выключается, для того чтобы сокращать реактивную мощность.

На фазе проплавления выбирается более низкая ступень напряжения (короткая электрическая дуга), для того чтобы сохранить огнеупорную футеровку печи (огнеупор), а также крышку печи. После того, как электрическая дуга покрыта пенящимся шлаком, выбирается наивысшая ступень напряжения, для того чтобы достигать самого большого подвода энергии в расплав. На последней фазе выбирается несколько более низкая ступень напряжения, для этого устанавливается максимально высокий ток, для того чтобы обеспечивать высокий подвод энергии.

Вышеупомянутые заданные величины, в частности при ручном и автоматическом управлении, отображают действительное состояние процесса лишь в крайне недостаточной степени. Кроме того, новейшие системы регулирования также не в состоянии реагировать на быстрые изменения в системе с подходящими постоянными времени (например, в миллисекундном диапазоне).

В отношении переключателей ступеней в печных трансформаторах и дроссельных катушках высокие частоты переключений в зависимости от самых разных концепций переключения клиентов рассматриваются в качестве технического стресс-фактора. В первую очередь следует сводить к минимуму обгорание контактов, а также износ механических конструктивных элементов в переключателях ступеней.

Так как техническое обслуживание переключателей ступеней, как правило, предполагает высокие расходы и прежде всего затратное приостановление производственного процесса, для пользователя чрезвычайно желательно продлевать интервал между техническими обслуживаниями, для того чтобы по возможности сокращать затраты на техническое обслуживание переключателя ступеней.

Кроме того, благодаря частым процессам переключения возникают дополнительные обратные воздействия на электрическую сеть, например в виде "мерцаний", которые должны сокращаться весьма сложным и затратным образом (например, регулируемыми статическими компенсаторами реактивной мощности - устройствами SVC).

Задача изобретения состоит в создании устройства для уменьшения обратных воздействий на электрическую сеть при эксплуатации электродуговой печи, которое требует меньших затрат, а также надежно и с малым временем отклика уменьшает или устраняет обратные воздействия на электрическую сеть.

Задача решается с помощью устройства для уменьшения обратных воздействий на электрическую сеть при эксплуатации электродуговой печи, которое включает в себя признаки пункта 1 формулы изобретения.

Дальнейшая задача изобретения состоит в создании способа для уменьшения обратных воздействий на электрическую сеть при эксплуатации электродуговой печи, который требует меньших затрат и надежно и с малым временем отклика устраняет обратные воздействия на электрическую сеть.

Задача решается с помощью способа для уменьшения обратных воздействий на электрическую сеть при эксплуатации электродуговой печи, который включает в себя признаки пункта 3 формулы изобретения.

Соответствующее изобретению устройство для уменьшения обратных воздействий на электрическую сеть при эксплуатации электродуговой печи характеризуется тем, что полупроводниковый переключатель ступеней согласован с печным трансформатором, причем посредством соответствующего выбора ступеней первичной стороны печного трансформатора может регулироваться заданный ток в каждой ветви при помощи заданной электрической величины.

При помощи полупроводникового переключателя ступеней можно переключаться на заданные ответвления обмотки посредством соответствующих и установленных, заданных положений полупроводникового переключателя ступеней.

Соответствующий изобретению способ отличается тем, что:

- осуществляется измерение тока и напряжения для каждой внешней линии от вторичной стороны печного трансформатора в каждой ветви;

- для каждой ветви вычисляется фактическая на данный момент, электрическая величина;

- для каждой ветви заданные напряжения внешних линий вычисляются таким образом, что при помощи заданной электрической величины может регулироваться заданный ток в каждой ветви;

- три ответвления обмотки первичной стороны печного трансформатора выбираются таким образом, что в значительной степени достигаются заданные напряжения внешних линий;

- устанавливаемое ответвление обмотки на первичной стороне печного трансформатора выбирается в соответствии с требуемым заданным напряжением внешних линий; и

- регулировка мощности печного трансформатора на устанавливаемые ответвления обмотки первичной стороны осуществляется при помощи полупроводникового переключателя ступеней по отдельности для всех ветвей электродуговой печи, причем полупроводниковый переключатель ступеней переключается на соответствующее заданное положение.

Из разности между фактическим ответвлением обмотки на первичной стороне печного трансформатора и разницей ответвлений обмотки первичной стороны печного трансформатора получается устанавливаемое ответвление обмотки.

Заданное значение системы более высокого уровня управления процессом учитывается в отношении промежуточного положения или верхней границы фактического ответвления обмотки ступени трансформатора.

Время такта для установки ответвлений обмотки при помощи полупроводникового переключателя ступеней на первичной стороне печного трансформатора находится в диапазоне 10 мс.

Фактическая электрическая величина является, например полным сопротивлением (импедансом) или полной проводимостью (адмитансом).

Во время эксплуатации электродуговой печи возникают различные обратные воздействия на электрическую сеть. Существенными элементами обратных воздействий на электрическую сеть являются так называемые мерцания. При помощи быстрого полупроводникового переключателя ступеней (или твердотельного переключателя ступеней) возможно немедленно реагировать на возникающие во время процесса быстрые колебания напряжения и таким образом достигать значительного уменьшения мерцания. От дополнительных переключений и/или эксплуатационных средств, которые вызывают высокие затраты на уменьшение мерцания при эксплуатации электродуговой печи, можно отказаться благодаря использованию полупроводникового переключателя ступеней.

Эти и другие признаки и преимущества раскрытых здесь различных вариантов осуществления становятся более понятными, ссылаясь на последующее описание и чертеж, причем одинаковые ссылочные позиции везде обозначают одинаковые элементы. На чертеже:

фиг. 1 показывает схематичное изображение системы для расплавления металла при помощи электродуговой печи;

фиг. 2 показывает схематичное изображение интеграции регулировки электродуговой печи на начальной фазе процесса расплавления в общую регулировку электродуговой печи; и

фиг. 3 показывает схематичный вид блок-схемы регулировки электродуговой печи, для того чтобы уменьшать обратные воздействия электрической сети при эксплуатации электродуговой печи.

Несмотря на то, что последующее описание изобретения ссылается на импеданс в качестве электрической величины, это не должно восприниматься в качестве ограничения изобретения.

Фиг. 1 показывает схематичное изображение системы 1 для расплавления металла при помощи электродуговой печи 10. Электродуговая печь 10 состоит из емкости 11 печи, в которой расплавляется стальной лом, и образовывается расплав 3. Дополнительно емкость 11 печи может оснащаться крышкой (не изображена). Стенка 12 и крышка оснащаются водяным охлаждением. В зависимости от режима работы электродуговой печи 10 она имеет один или три электрода 4. В трехфазной электродуговой печи 10 используются три электрода 4. Последующее описание раскрывает принцип изобретения на примере трехфазной электродуговой печи. Огнеупорный материал (не изображен) покрывает внутреннюю стенку 13 электродуговой печи 10.

Электроды 4 закреплены на несущем рычаге (не изображен) и при необходимости могут вводиться в емкость 11 печи. Каждый из электродов 4 оснащен внешней линией 5, причем все внешние линии 5 соединены со вторичной стороной 6S печного трансформатора 6. Таким образом, внешняя линия 5, электрод 4 и электрическая дуга образуют фазу или ветвь 7 цепи трехфазного тока. Первичная сторона 6P печного трансформатора 6 снабжается необходимым высоким напряжением из сети 9 энергоснабжения. С первичной стороной 6P печного трансформатора 6 соединен переключатель 20 ступеней нагрузки, который выполнен в виде полупроводникового переключателя ступеней.

Блок 30 управления и регулировки взаимодействует с полупроводниковым переключателем 20 ступеней, для того чтобы переключать ответвления T_S1,…,T_SN обмотки печного трансформатора 6 на первичной стороне 6P таким образом, что имеют место соответствующие напряжения U_ist12, U_ist23 и U_ist31 внешних линий, так что ветви 7 снабжаются соответствующим заданным током I_s1, I_s2 и I_s3. В результате в ветвях 7 будет наблюдаться предопределенный импеданс Z_SOLL1, Z_SOLL2 и Z_SOLL3. Первичная сторона 6P печного трансформатора 6 имеет несколько ответвлений T_S1,…,T_SN обмотки, которые подключаются полупроводниковыми переключательными элементами S₁,…,S_N полупроводникового переключателя 20 ступеней. Блок 30 управления и регулировки получает входные данные от датчиков 15 тока и датчиков 16 напряжения, которые соотнесены с ветвями 7 электродуговой печи 10. Из входных данных блок 30 управления и регулировки устанавливает последовательность переключения полупроводникового переключателя 20 ступеней, так что переключатель 20 переключается на соответствующее заданное положение S_SOLL1, S_SOLL2 и S_SOLL3 и таким образом вызывает подключение устанавливаемого ответвления T_SOLL1, T_SOLL2 и T_SOLL3 обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора, так что регулируется ток в ветвях 7 или в одной специальной ветви 7.

На начальной фазе процесса расплавления в электродуговой печи 10 возникают сильные колебания тока или напряжения. Колебания тока могут значительно сокращаться при помощи соответствующего изобретению и быстрого, полупроводникового, переключателя 20 ступеней.

Фиг. 2 показывает схематичное изображение интеграции регулировки электродуговой печи 10 на начальной фазе процесса расплавления в общую регулировку 22 электродуговой печи 10. В конечном счете, общая регулировка электродуговой печи 10 осуществляется при помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней. Система 24 более высокого уровня управления процессом работает с тактовой частотой в диапазоне 1-ой секунды. Регулировка 28 мерцания работает с тактовой частотой в диапазоне 10 миллисекунд. Тактовая частота для каждой из регулировок соответствует частоте повторения импульсов соответствующих регулировок. В результате измерений при помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней можно переключать с определенного на соответствующее ответвление T_S1,…,T_SN обмотку на первичной стороне 6P печного трансформатора 6, чтобы необходимая регулировка электродуговой печи 10 осуществлялась таким образом, что минимизируются колебания тока.

Фиг. 3 показывает схематичный вид блок-схемы регулировки электродуговой печи 10, для того чтобы предотвращать или уменьшать обратные воздействия электрической сети при эксплуатации электродуговой печи 10. На первом шаге 31 осуществляется измерение тока и напряжения для каждой внешней линии 5, которая проходит от вторичной стороны 6S печного трансформатора 6 к электродам 4. Таким образом, измерение тока и напряжения осуществляется в каждой ветви 7.

На втором шаге 32 для каждой ветви 7 вычисляется фактический импеданс Z_ist1, Z_ist2 и Z_ist3. На последующем шаге 33 три напряжения U_ist12, U_ist23 и U_ist31 внешних линий вычисляются таким образом, что при помощи заданных фактических импедансов Z_ist1, Z_ist2, Z_ist3 может регулироваться заданный ток I_s1, I_s2, I_s3 в каждой ветви 7. Согласно четвертому шагу 34 разница ΔT_S1, ΔT_S2 и ΔT_S3 ответвлений обмотки первичной стороны 6P печного трансформатора 6 выбирается для каждой ветви 7 таким образом, что колебания измеренных токов и напряжений учитываются только за пределами определенного диапазона колебаний. На последнем шаге 35 из этого для каждой ветви 7 получается устанавливаемое ответвление T_SOLL1, T_SOLL2, T_SOLL3 обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора 6. Устанавливаемое ответвление T_SOLL1, T_SOLL2, T_SOLL3 обмотки вычисляется из разности между фактической ступенью T_A1, T_A2 и T_A3 на первичной стороне 6P печного трансформатора 6 и разницей ΔTS1, ΔTS2 и ΔTS3 ответвлений обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора 6, для того чтобы в каждой ветви достигать уменьшения мерцания. Полупроводниковый переключатель 20 ступеней делает возможной быструю установку необходимого ответвления T_SOLL1, T_SOLL2 или T_SOLL3 обмотки, причем с прохождением нескольких ответвлений обмотки. Кроме того, при помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней возможна перестановка устанавливаемых ответвлений T_SOLL1, T_SOLL2 или T_SOLL3 обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора 6.

Только при соответствующем изобретению использовании полупроводникового переключателя 20 ступеней возможно достигать время такта для установки необходимого ответвления T_SOLL1, T_SOLL2 и T_SOLL3 обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора 6 в диапазоне 10 мс.

Изобретение было описано со ссылкой на два варианта осуществления. Тем не менее, для специалиста является очевидным то, что изменения и модификации изобретения могут выполняться, не отходя при этом от объема защиты нижеследующих пунктов формулы изобретения.

Список ссылочный позиций

1 система

3 расплав

4 электрод

5 внешняя линия

6 печной трансформатор

6P первичная сторона

6S вторичная сторона

7 ветвь, фаза

9 сеть энергоснабжения

10 электродуговая печь

11 емкость печи

12 внешняя стенка

13 внутренняя стенка

15 датчик тока

16 датчик напряжения

20 переключатель ступеней нагрузки, полупроводниковый переключатель ступеней

22 общая регулировка

24 основанная на температуре регулировка мощности

28 регулировка мерцания (электронного шума)

30 блок управления и регулировки

31 первый шаг

32 второй шаг

33 третий шаг

34 низкочастотная фильтрация

35 шаг сравнения

36 последний шаг

E_ist1, E_ist2, фактическая электрическая величина

E_ist3

E_SOLL1, заданная электрическая величина

E_SOLL2,

E_SOLL3

I_ist1, I_ist2, измеренный ток

I_ist3

I_s1, I_s2, I_s3 заданный ток

T_S1,…,T_SN ответвление обмотки, ступень трансформатора

T_A1, T_A2, T_A3 фактическое ответвление обмотки

T_SOLL1, устанавливаемое ответвление обмотки

T_SOLL2,

T_SOLL3

ΔT_S1, разница ответвлений обмотки

ΔT_S3, ΔT_S2

S₁,…,S_N полупроводниковый переключательный элемент

S_SOLL1, заданное положение

S_SOLL2,

S_SOLL3

U_ist12, U_ist23 напряжение внешних линий

U_ist31

U_SOLL12, заданное напряжение внешних линий

U_SOLL23,

U_SOLL31

Z_SOLL1, предопределенный импеданс

Z_SOLL2,

Z_SOLL3

Z_ist фактический импеданс