CN101752869B - 基于节电运行的交流电熔镁炉供电系统 - Google Patents

Abstract

基于节电运行的交流电熔镁炉供电系统，属于冶金技术领域。本发明提供一种电耗低、产品质量好，且不影响变压器使用寿命的基于节电运行的交流电熔镁炉供电系统。本发明包括炉用变压器、短网、三相电极、滤波补偿装置和自动控制电极升降装置；所述的炉用变压器的一次侧与供电电网相连接，二次侧通过短网与三相电极相连接；对炉用变压器的一次侧和二次侧分别通过电量检测仪表将检测信号送给自动控制电极升降装置、滤波补偿装置，所述的滤波补偿装置的补偿端与三相电极上端相连接，滤波补偿装置的控制器与自动控制电极升降装置的控制器相通讯。

Description

基于节电运行的交流电熔镁炉供电系统

技术领域：

本发明属于冶金技术领域，特别是涉及一种基于节电运行的交流电熔镁炉供电系统。

背景技术：

目前的电熔镁生产企业正处于工艺原始、技术及装备落后、自动化水平低的状态，导致能源、资源浪费严重。随着电熔镁产业规模不断扩大，大量电耗已经给电熔镁产地造成了严重的用电压力和用电矛盾，严重阻碍了地区经济健康发展和社会和谐，因此，研究能够节电运行的交流电熔镁炉供电系统适应《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的要求，也是电熔镁企业生存和发展的迫切需要。

传统的交流电熔镁炉供电系统由炉用变压器、短网、三相电极以及手动控制电极升降装置四部分组成。炉用变压器由于其容量选择受传统计算方法影响，使之一直不能处于经济运行，自身电耗过大；电极升降靠人工手动控制，劳动强度过大，不能及时有效地结合工艺对冶炼过程中的电流进行调整，造成产品质量差且电耗高；另外，由于炉用变压器及短网上存在大量谐波，造成电耗的急剧升高、且影响到变压器的使用寿命。

目前，电熔镁炉供电系统的设计缺乏科学合理的设计依据，并且并非是由专业设计单位设计，而是由各电熔镁砂生产厂根据相互的使用经验简单设计完成，故此造成整个供电系统自身电耗居高不下，严重制约了电熔镁生产企业的进一步发展。

发明内容：

针对现有的交流电熔镁炉供电系统电耗高、产品质量差，且影响变压器使用寿命的问题，本发明提供一种电耗低、产品质量好，且不影响变压器使用寿命的基于节电运行的交流电熔镁炉供电系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于节电运行的交流电熔镁炉供电系统，包括炉用变压器、短网、三相电极、滤波补偿装置和自动控制电极升降装置；所述的炉用变压器的一次侧与供电电网相连接，二次侧通过短网与三相电极相连接；对炉用变压器的一次侧和二次侧分别通过电量检测仪表将检测信号送给自动控制电极升降装置、滤波补偿装置，所述的滤波补偿装置的补偿端与三相电极上端相连接，滤波补偿装置的控制器与自动控制电极升降装置的控制器相通讯。

所述的滤波补偿装置采用无源单调谐滤波补偿器，包括主电路和控制系统，主电路是通过总隔离开关上连进线电缆下连母线排，通过多个分隔离开关上连母线排下连多组熔断器，每组熔断器下端接一个真空接触器，真空接触器下端与滤波电抗器相连，滤波电抗器下端与补偿电容器相接；控制系统控制器的输入端接有炉用变压器一次侧、二次侧的电量检测信号，其多路输出端分别接到各个真空接触器的控制线圈回路。

所述的滤波补偿装置的补偿点，即滤波补偿装置与三相电极的连接点，选择靠近三相电极上端头处。

所述炉用变压器的容量的确定方法，包括如下步骤：

步骤一：确定变压器的有功功率经济负载系数β_JP，

β_JP＝(P₀/P_K)^1/2

式中，P₀-变压器空载损耗，P_K-变压器短路损耗；

步骤二：对变压器有功功率的经济运行区间进行划分，其中，

最佳运行区：1.33β_JP ²≤β≤0.75，

经济运行区：β_JP ²≤β≤1，

最劣运行区：0≤β≤β_JP ²，

β-T时间段内变压器的平均负载系数；

步骤三：根据使电熔镁冶炼过程实际需求电流处于变压器有功功率最佳运行区间的原则确定变压器的容量。

本发明的有益效果：

1、由于本发明的交流电熔镁炉供电系统采用了由炉用变压器、短网、三相电极、滤波补偿装置和自动控制电极升降装置五个部分组成的有机整体，使大大降低供电系统的自身运行电能消耗成为可能，可以实现与传统电熔镁炉供电系统相比，在保证产品质量的前提下，总体节电15％的指标；

2、由于本发明的供电系统采用了滤波补偿装置，并选择了合理的补偿点，可以将炉用变压器及短网上存在的大量谐波进行滤除，并且通过炉用变压器的容量的确定方法使电熔镁冶炼过程实际需求电流处于变压器有功功率最佳运行区间；就使本发明的供电系统电耗低，且不影响变压器的使用寿命；

3、由于本发明的供电系统采用了自动控制电极升降装置，能自动调节三相电极的升降，及时有效控制电弧电流，实现改善产品质量、降低电耗的目的。

附图说明：

图1是本发明的供电系统的结构示意图；

图2是变压器有功功率运行区间划分示意图；

图3是电熔镁炉变压器二次侧滤波补偿原理示意图；

图4是电熔镁炉变压器二次侧滤波补偿点的示意图；

图中，1-滤波补偿装置，2-电熔镁炉，3-三相电极，4-自动控制电极升降装置，5-短网，6-炉用变压器，7-电量检测仪表，8-供电电网，9-高压开关，10-补偿点。

具体实施方式：

如图1所示，一种基于节电运行的交流电熔镁炉供电系统，包括炉用变压器6、短网5、三相电极3、滤波补偿装置1和自动控制电极升降装置4；所述的炉用变压器6的一次侧与供电电网8相连接，二次侧通过短网5与三相电极3相连接；对炉用变压器6的一次侧和二次侧分别通过电量检测仪表7将检测信号送给自动控制电极升降装置4、滤波补偿装置1，所述的滤波补偿装置1的补偿端与三相电极3上端相连接，滤波补偿装置1的控制器与自动控制电极升降装置4的控制器相通讯。

所述的滤波补偿装置采用无源单调谐滤波补偿器，包括主电路和控制系统，主电路是通过总隔离开关上连进线电缆下连母线排，通过多个分隔离开关上连母线排下连多组熔断器(一一对应)，每组熔断器下端接一个真空接触器，真空接触器下端与滤波电抗器相连，滤波电抗器下端与补偿电容器相接；控制系统控制器的输入端接有炉用变压器一次侧、二次侧的电量检测信号，其多路输出端分别接到各个真空接触器的控制线圈回路。

本发明的自动控制电极升降装置4为现有技术，可采用专利号为03212158.X的中国专利“电熔镁炉自动控制装置。

滤波补偿装置的节电原理如下：

电熔镁炉的无功和谐波主要来自于电极电弧。尽管在电熔镁炉的高压侧已经安装了高压滤波补偿器，但该高压滤波补偿器不能补偿变压器二次侧的无功损耗，也不能消除变压器二次侧的谐波。

如图3所示，在未加滤波补偿装置之前，维持电极电弧发生所需要的无功全部来自于变压器，由电弧产生的大量谐波经过短网返送给变压器，如图3中虚线单箭头所示，由此造成电能的大量损耗。在加滤波补偿装置之后，维持电极电弧发生所需要的无功主要来自于滤波补偿装置；由电弧产生的大量谐波大量流经滤波补偿装置提供的低阻通道，不再返送给变压器，如图3中实线双箭头所示，短网上的无功电流大大减少，由此可以节省大量的电能。

理想化的滤波补偿效果应该是：当将电熔镁炉与滤波补偿装置看成是一个整体时，那么它相对与变压器以及短网来说，应该呈现出纯阻性负载，即电弧与滤波补偿装置组成的电路的等效阻抗为阻性。

基于上述电熔镁炉滤波补偿装置的节电原理，从低成本和电熔镁企业的实际情况出发，本供电系统的滤波补偿装置采用无源单调谐滤波补偿器，该滤波补偿器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性高以及运行费用较低等优点。

所述的无源单调谐滤波补偿器应满足如下技术要求：

电容C、电感L和电阻R之间的关系满足滤波原理；整体滤波等效阻抗满足系统无功补偿要求；整体阻抗不应与电网阻抗形成串、并联谐振；各组滤波容量计算要考虑10％的背景谐波容量；保证在正常失谐的情况下，无源滤波器仍能满足各项技术要求；避免各个无源滤波器之间的并联谐振。

如图4所示，所述的滤波补偿装置的补偿点，即滤波补偿装置与三相电极的连接点，其选择应该尽量靠近三相电极的上端头处；以尽量减少无功电流流经短网而造成的不必要的电能损失。

传统的电熔镁炉上使用的变压器，大都是属于S6、S7系列变压器，其能效较低。近些年来，一些电熔镁企业纷纷开展了针对变压器更新改造的节电工程，条件好的企业甚至选用了针对电熔镁炉开发的专用变压器，已经取得了较好的节电效果。但由于企业在变压器容量选择上缺乏适用的理论指导，往往造成变压器容量选择偏小，有的企业为了提高单位时间产量，甚至使炉用变压器长期过载运行，结果造成变压器运行损耗普遍很高。

变压器的节能降耗分别考虑了有功损耗最小、无功损耗最小、综合损耗最小的三种情况。考虑到电熔镁炉变压器(多台高压侧并联)高压侧母线上已经采用集中无功补偿设备，节电以节约有功电量为主，故此在变压器容量选择上，按照有功经济运行原则进行选择。

按照这一原则，经过理论分析与推导，得出了炉用变压器的容量的确定方法，包括如下步骤：

步骤一：确定变压器的有功功率经济负载系数β_JP，

β_JP＝(P₀/P_K)^1/2

式中，P₀-变压器空载损耗，P_K-变压器短路损耗；

步骤二：对变压器有功功率的经济运行区间进行划分，如图2所示，其中，

最佳运行区(即高效率运行区)：1.33β_JP ²≤β≤0.75，

经济运行区：β_JP ²≤β≤1，

最劣运行区(即低效率运行区)：0≤β≤β_JP ²，

β-T时间段内变压器的平均负载系数；

步骤三：根据使电熔镁冶炼过程实际需求电流处于变压器有功功率最佳运行区间的原则确定变压器的容量。

在电熔镁冶炼过程中，工艺需求的电功率可以分为电弧加热功率和电阻加热功率。电弧加热功率用于熔化电熔镁砂，电阻加热功率用于维持炉内熔池的深度。理论上讲，当熔融电熔镁砂物料总量、粒度、成分、水分等因素一定时，电熔镁冶炼所需的电功率也一定。在操作上，若电弧加热功率过大，电阻加热功率则偏小，会导致虽物料熔化快但熔池深度不够，这样形成的熔坨不仅小而且不能使其中的杂质充分析出，严重影响到产品质量；若电阻加热功率过大，电弧加热功率则偏小，这时因炉内达不到足够的熔融温度，导致化料困难、熔化时间长，严重影响冶炼过程的电耗状况。在电阻加热功率与电弧加热功率之间存在着一个合适的比例。在电熔镁炉设备及物料等状况一定时，电弧加热功率与电阻加热功率的实际比例值大小主要取决于电弧电流。因此，本发明采用自动控制电极升降装置对三相电极的电流进行自动控制，并通过实际效果进行电流设定值修正，这样可以达到很好的熔炼效果，既可以稳定产品质量，又可以降低单产电耗指标。

Claims (1)

1.一种基于节电运行的交流电熔镁炉供电系统，包括炉用变压器、短网、三相电极、滤波补偿装置和自动控制电极升降装置；所述的炉用变压器的一次侧与供电电网相连接，二次侧通过短网与三相电极相连接；对炉用变压器的一次侧和二次侧分别通过电量检测仪表将检测信号送给自动控制电极升降装置、滤波补偿装置，所述的滤波补偿装置的补偿端与三相电极上端相连接，滤波补偿装置的控制器与自动控制电极升降装置的控制器相通讯；所述的滤波补偿装置采用无源单调谐滤波补偿器，包括主电路和控制系统，主电路是通过总隔离开关上连进线电缆下连母线排，通过多个分隔离开关上连母线排下连多组熔断器，每组熔断器下端接一个真空接触器，真空接触器下端与滤波电抗器相连，滤波电抗器下端与补偿电容器相接；控制系统控制器的输入端接有炉用变压器一次侧、二次侧的电量检测信号，其多路输出端分别接到各个真空接触器的控制线圈回路；所述的滤波补偿装置的补偿点，即滤波补偿装置与三相电极的连接点，选择靠近三相电极上端头处；其特征在于所述炉用变压器的容量的确定方法，包括如下步骤：

步骤一：确定变压器的有功功率经济负载系数β_JP，

β_JP＝(P₀/P_K)^1/2

式中，P₀-变压器空载损耗，P_K-变压器短路损耗；

步骤二：对变压器有功功率的经济运行区间进行划分，其中，

最佳运行区：1.33β_JP ²≤β≤0.75，

经济运行区：β_JP ²≤β≤1，

最劣运行区：0≤β≤β_JP ²，

β-T时间段内变压器的平均负载系数；

步骤三：根据使电熔镁冶炼过程实际需求电流处于变压器有功功率最佳运行区间的原则确定变压器的容量。

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