IT202000012091A1 - Sistema di alimentazione per forni ad arco - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione si colloca, in generale, nel settore dei sistemi di alimentazione per forni elettrici. In particolare, l?invenzione si riferisce ad a un sistema di alimentazione per un forno elettrico ad arco, ad esempio utilizzato per la fusione di rottami metallici.
Un forno ad arco ha bisogno di una grande quantit? di energia: ogni tonnellata di acciaio fuso richiede dai 500 ai 700 kWh. Ad esempio, per fondere 100 tonnellate servono da 50 a 70 MWh di energia elettrica. Per un reparto di fusione di un impianto di produzione di acciaio, il livello medio di energia richiesta pu? anche raggiungere i 200 MWh. Livelli cos? elevati di energia sono forniti dalla compagnia gestore dell?energia elettrica mediante la rete ad alta tensione (70 - 600 kV), successivamente trasformata da un trasformatore riduttore principale ad una media tensione (intorno ai 30kV).
La compagnia elettrica fornisce generalmente energia mediante un sistema trifase a corrente alternata. Di conseguenza, i forni ad arco sono costituiti generalmente da tre elettrodi, ciascuno alimentato da una delle suddette fasi, ma a tensioni inferiori rispetto alle elevate tensioni dei sistemi di trasmissione dell?energia elettrica. In genere, gli elettrodi sono alimentati a tensioni comprese tra 100V e 1000V, in modo tale da evitare di generare archi elettrici troppo lunghi, difficilmente gestibili. Di conseguenza, ? comune utilizzare trasformatori adatti a convertire l?energia proveniente dalla rete di fornitura elettrica ad una tensione adeguata al funzionamento del forno elettrico.
Durante il funzionamento del forno elettrico, a causa delle elevate e impulsive correnti assorbite, si generano disturbi elettrici che si ripercuotono sulla rete elettrica dell?ente erogatore attraverso i trasformatori. Tali disturbi elettrici riguardano principalmente distorsioni dell?onda sinusoidale (armoniche di corrente e di tensione), microinterruzioni, fluttuazioni di tensione, sovratensioni di corrente/tensione impulsive.
Gli effetti di tali disturbi possono condizionare, anche significativamente, il corretto funzionamento dei componenti dell?intero impianto elettrico fino a compromettere temporaneamente il normale iter del processo energetico o produttivo interessato. Nei settori d?utenza industriale e del terziario avanzato, per esempio, tali disturbi possono dare origine a fastidiosi disservizi dell'attivit? produttiva che hanno reso necessario il ricorso a strumenti di riduzione o eliminazione di tali disturbi affiancati ai trasformatori per l?alimentazione dei forni.
I sistemi noti di compensazione dei suddetti disturbi comprendono banchi di condensatori, banchi di filtri passivi o attivi o compensatori statici di potenza reattiva (Static Var Compensator, SVC) o compensatori sincroni statici (Static Synchronous Compensator, SSC, Static Compensator, STATCOM).
Tuttavia, i sistemi di compensazione noti presentano l?inconveniente di dover essere installati direttamente sulla rete di fornitura ad elevata o media tensione, risultando particolarmente costosi e soprattutto poco adattabili ai diversi valori di bassa tensione richiesti da ciascuna delle utenze presenti in uno stabilimento (forno a siviera, forno ad arco, laminatoio?).
Ulteriormente, in maniera sconveniente, i sistemi di alimentazione per forni ad arco dell?arte nota, soffrono di problematiche relative alla distorsione armonica THD, richiedono elevati consumi di energia, e subiscono fluttuazioni e squilibri di tensione.
Uno degli scopi della presente invenzione ? superare le suddette limitazioni della tecnica nota con un sistema di alimentazione per forno elettrico che limiti (ed eventualmente elimini) l?utilizzo di sistemi di compensazione dell?arte nota, permettendo al tempo stesso di ridurre i costi e di aumentare la versatilit?. In accordo con l'invenzione, tale scopo viene risolto da un sistema di alimentazione per forno elettrico ad arco arco o a induzione secondo la rivendicazione 1.
Forme di attuazione preferite dell?invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.
Le caratteristiche ed i vantaggi del sistema di alimentazione per forno elettrico ad arco, secondo la presente invenzione saranno evidenti dalla descrizione di seguito riportata, data a titolo esemplificativo e non limitativo, in accordo con le figure allegate, in cui:
- la figura 1 mostra uno schema di un sistema di alimentazione di utenze di uno stabilimento di fusione metalli secondo l?arte nota;
- la figura 2 mostra un sistema di alimentazione per forno ad arco secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 3 mostra uno schema di un convertitore indiretto CA/CA secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 4 illustra uno schema di un convertitore indiretto CA/CA secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
Un esempio di un impianto di alimentazione di utenze in uno stabilimento industriale noto ? rappresentato in figura 1. La trasformazione dell?energia dal livello di decine e centinaia di kV della linea di fornitura della compagnia elettrica al livello di tensione necessario per alimentare un forno di uno stabilimento industriale per la fusione di metalli ? svolta in due fasi. Un primo trasformatore 100 (a volte due trasformatori in parallelo) abbassa la tensione da una linea di alta tensione 101 ad un livello medio presso una stazione di distribuzione ausiliaria 102. Generalmente il livello di tensione medio ? standardizzato per ogni paese (ad esempio da 15 a 34,5 kV, a seconda del paese). Dato che lo stabilimento industriale richiede energia elettrica per differenti utenze, per esempio un laminatoio 122 o un forno a siviera 120 o un forno ad arco 121, diverse tipologie di trasformatori 110, 111, 112 sono collegati alla stazione ausiliaria dalla quale prelevano l?energia elettrica al livello di tensione medio.
Dalla stazione di distribuzione ausiliaria ciascuna utenza riceve energia da uno specifico trasformatore 110, 111, 112. Il livello di tensione dello stadio secondario di ciascun trasformatore ? adatto a consentire il corretto funzionamento di ciascuna utenza 120, 121, 122.
Per la compensazione dei disturbi elettrici dovuti al funzionamento dei trasformatori 110, 111, 112, collegati alla stazione di distribuzione ausiliaria, banchi di filtri passivi o attivi 130 sono collegati in modo da sopprimere in modo selettivo i disturbi generati da ciascuna utenza.
In accordo con le figure da 2 a 4, con 1 si ? complessivamente indicato un sistema di alimentazione per forno ad arco a corrente alternata (CA), ad esempio monofase o trifase o multifase, in accordo con la presente invenzione. Il sistema di alimentazione 1 comprende un convertitore indiretto corrente alternata/corrente alternata (CA/CA) 2 avente un ingresso convertitore 21 e un?uscita convertitore 22 connessa ad un apparato di adattamento 4 collegabile al forno ad arco 6. Nel caso di forno ad arco 6, i terminali di uscita 41 dell?apparato di adattamento 4 sono elettricamente connessi con gli elettrodi 7 del forno ad arco, per mezzo dei quali scocca l?arco elettrodometallo responsabile della fusione del metallo.
Il sistema di alimentazione ? adatto a convertire la tensione della rete di alimentazione elettrica 3 in una tensione di alimentazione per il forno ad arco 6.
L?apparato di adattamento 4 comprende un trasformatore di adattamento 8, avente un lato secondario 82 collegabile con il forno 6 e un lato primario 81 direttamente o operativamente connesso con l?uscita convertitore 22. In altre parole, preferibilmente il lato primario 81 del trasformatore da forno ? direttamente connesso con l?uscita convertitore 22.
In una forma preferita di realizzazione, il trasformatore di adattamento 8 ? un trasformatore Dd4 (collegamento primario e secondario a triangolo). Il trasformatore di adattamento 8 ? configurato per innalzare la corrente sugli elettrodi 7 del forno 6, riducendo in maniera proporzionale la tensione in uscita rispetto alla tensione in ingresso. Di preferenza, il trasformatore di adattamento 8 ha una potenza nominale sostanzialmente uguale alla potenza nominale del convertitore indiretto CA/CA 2.
Preferibilmente, il convertitore indiretto CA/CA 2 comprende (o ? costituito da) un gruppo raddrizzatore 210, un inverter 210 e un circuito DC-Link 211 di connessione tra raddrizzatore e inverter.
Una forma di realizzazione esemplificativa del convertitore indiretto CA/CA 2 ? mostrata in figura 3. L?ingresso convertitore 21 comprende i terminali di ingresso 21a, 21b, 21c collegabili alla rete di distribuzione dell?energia elettrica 3. Tali terminali di ingresso sono elettricamente connessi con il gruppo raddrizzatore 210, che consente la trasformazione del segnale a corrente elettrica alternata in ingresso in corrente continua. Il segnale in corrente continua attraversa un circuito DC-Link 211, preferibilmente realizzato per livellare la tensione continua mediante un banco di condensatori. Il circuito DC-link 211 ? collegato all?inverter 212, che ? configurato per riconvertire il segnale in corrente continua in corrente alternata.
Un dispositivo 213 abbinato all?inverter 212 controlla e comanda la generazione del segnale di uscita tramite modulazione PWM del segnale.
In una variante preferita di realizzazione il convertitore indiretto CA/CA 2, eroga sui terminali 22a, 22b, 22c dell?uscita convertitore 22 un segnale elettrico in corrente alternata avente una frequenza variabile (ad esempio da 40Hz a 60 Hz) rispetto al segnale elettrico in ingresso all?ingresso convertitore 21 e avente un valore di tensione in uscita adatto ad alimentare una determinata utenza, ad esempio un forno ad arco mediante l?apparato di adattamento 4. Il circuito di uscita sui terminali 22a, 22b, 22c ? preferibilmente inoltre adatto a gestire la corrente su ciascuna delle tre fasi in modo indipendente dalle altre due.
In accordo con l?invenzione, il sistema di alimentazione 1 comprende un gruppo trasformatore di ingresso 5, inserito il convertitore indiretto CA/CA e la rete di alimentazione elettrica 3. Tale trasformatore di ingresso 5 comprendente un lato primario di trasformatore ingresso 51 collegabile alla rete di alimentazione elettrica 3 e un lato secondario di trasformatore ingresso 52 collegato all?ingresso convertitore 21. Il gruppo trasformatore di ingresso 5 comprende almeno un primo trasformatore ingresso T1 ed almeno un secondo trasformatore ingresso T2. Ciascuno di detti primo e secondo trasformatore ingresso T1, T2 comprende tre gruppi di avvolgimenti secondari 520?; 520??, 520???; 521?; 521??; 521??? tra loro sfasati (cio? aventi tensioni e/o correnti sfasate tra ciascun gruppo di avvolgimento secondo uno sfasamento predefinito). Ciascuno di detti gruppi di avvolgimenti secondari (520?; 520??, 520???; 521?; 521??; 521??? comprende a sua volta un avvolgimento per ciascuna fase corrispondente ad una fase (R, S, T) della rete di alimentazione elettrica 3.
Questa particolare configurazione, consente di ridurre la
distorsione armonica totale (THD) e le armoniche di disturbo a ritroso verso la linea di alimentazione.
In particolare, di preferenza, ciascuno di detti primo e secondo trasformatore ingresso T1, T2 comprende rispettivamente un solo gruppo di avvolgimento primario 510, 510?, direttamente collegato alle fasi della linea di alimentazione 3. Cio? ciascun trasformatore ingresso T1, T2 comprende un solo avvolgimento collegato alla prima fase R, un solo avvolgimento collegato alla seconda fase S e un solo avvolgimento collegato alla terza fase T.
In accordo ad una variante preferita di realizzazione del sistema di alimentazione, ad esempio mostrata pi? in dettaglio in figura 4, ciascuno di tali primo e secondo trasformatore ingresso T1, T2 comprende un solo gruppo di avvolgimenti di primario. Ciascun gruppo di avvolgimenti di primario comprende un avvolgimento per ciascuna fase corrispondente ad una fase R, S, T della rete di alimentazione elettrica 3.
In particolare, in una forma di realizzazione, il convertitore indiretto CA/CA 2 comprende un gruppo raddrizzatore 210, un inverter 212 e un circuito DC-Link 211 di connessione tra raddrizzatore e inverter.
Preferibilmente, il gruppo raddrizzatore 210 comprende un circuito raddrizzatore a diciotto o pi? impulsi.
Preferibilmente, come mostrato in figura 4, il gruppo raddrizzatore 210 comprende tre gruppi raddrizzatori di ingresso indipendenti 210?. 210??, 210??. Un primo gruppo di raddrizzatori di ingresso 210? dei tre gruppi raddrizzatori di ingresso indipendenti ? collegato al primo gruppo di avvolgimenti secondari 520? del primo trasformatore T1 e al primo gruppo di avvolgimenti secondari 521? del secondo trasformatore T2. Inoltre, un secondo gruppo di raddrizzatori di ingresso 210?? dei tre gruppi raddrizzatori di ingresso indipendenti ? collegato al secondo gruppo di avvolgimenti secondari 520?? del primo trasformatore T1 e al secondo gruppo di avvolgimenti secondari 521?? del secondo trasformatore T2. Ulteriormente, un terzo gruppo di raddrizzatori di ingresso 210??? dei tre gruppi raddrizzatori di ingresso indipendenti ? collegato al terzo gruppo di avvolgimenti secondari 520??? del primo trasformatore T1 e al terzo gruppo di avvolgimenti secondari 521??? del secondo trasformatore T2.
Preferibilmente, il convertitore CA/CA comprende tre circuiti DC-Link indipendenti 211?, 211??, 211??? e tre gruppi inverter indipendenti 212?, 212??, 212???. Ciascun circuito DC-Link 211?, 211??, 211??? ? collegato con un rispettivo gruppo di raddrizzatori di ingresso 210?, 210??, 210??? a monte e ad rispettivo gruppo inverter 212?, 212??, 212?? a valle.
In accordo ad una forma di realizzazione preferita, il primo gruppo di avvolgimenti secondari 520? del primo trasformatore T1 e il primo gruppo di avvolgimenti secondari 521? sono collegati al primo gruppo di raddrizzatori di ingresso 210? in modo da ottenere una serie delle tensioni di ciascun primo gruppo di avvolgimenti secondari 520?, 521?. Allo stesso modo, il secondo gruppo di avvolgimenti secondari 520?? del primo trasformatore T1 e il secondo gruppo di avvolgimenti secondari 521?? sono collegati al secondo gruppo di raddrizzatori di ingresso 210?? in modo da ottenere una serie delle tensioni di ciascun secondo gruppo di avvolgimenti secondari 520??, 521??. Ulteriormente, il terzo gruppo di avvolgimenti secondari 520??? del primo trasformatore T1 e il terzo gruppo di avvolgimenti secondari 521??? sono collegati al terzo gruppo di raddrizzatori di ingresso 210??? in modo da ottenere una serie delle tensioni di ciascun terzo gruppo di avvolgimenti secondari 520???, 521???.
In questo modo, sul secondo trasformatore T2 a valle dei gruppi inverter 212?, 212??, 212??, sui terminali di uscita 22a, 22b, 22c del convertitore 21 ? presente la serie delle tensioni dei secondari del primo trasformatore T1 e del secondo trasformatore T2, per ciascuna fase (la serie delle tensioni per ciascuna fase su un rispettivo terminale per fase).
Preferibilmente, il convertitore indiretto 2 eroga energia elettrica in corrente alternata avente una tensione variabile adattabile a ciascuno delle fasi del processo di fusione del metallo: boring, fase di fusione e fase di affinazione.
Nel caso di forno ad arco, ? altres? oggetto della presente invenzione un sistema di gestione arco comprendente un sistema di alimentazione 1 per forno ad arco descritto nei paragrafi precedenti e un forno ad arco comprendente elettrodi 7 direttamente o operativamente connessi con il sistema di alimentazione 1.
Innovativamente, il sistema di alimentazione secondo la presente invenzione non necessita di sistemi di compensazione attivi o passivi dei disturbi causati dai trasformatori di alimentazione dei forni della tecnica nota, in quanto garantisce un fattore di potenza relativamente elevato e quasi costante e una ridotta distorsione di armoniche THD, sia di corrente che di tensione.
In maniera vantaggiosa, inoltre il sistema di alimentazione oggetto dell?invenzione consente di variare la tensione erogata in uscita, permettendo quindi di adattarsi alle diverse utenze in maniera flessibile, non richiedendo trasformatori dedicati per ciascuna utenza.
Inoltre, vantaggiosamente, la presenza del convertitore indiretto consente l?impiego di trasformatori a bassa tensione per l?alimentazione del forno, riducendo i costi e aumentando la flessibilit? di installazione. Ulteriormente, il sistema di alimentazione secondo la presente invenzione consente di ottenere un minor consumo di energia rispetto alla tecnologia di alimentazione dei forni nota.
E' chiaro che un tecnico del ramo, al fine di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potr? apportare modifiche all?invenzione sopra descritta, tutte peraltro contenute nell'ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni seguenti.
Claims (10)
1. Sistema di alimentazione (1) per forno ad arco (6), adatto a convertire una tensione di una rete di alimentazione elettrica (3) trifase (R, S, T) in una tensione di alimentazione per forno ad arco (6), comprendente
- un convertitore indiretto CA/CA (2) avente un ingresso convertitore (21) e un?uscita convertitore (22);
- un apparato di adattamento (4) connesso all?uscita convertitore (22) e collegabile al forno ad arco (6), detto apparato di adattamento (4) essendo adatto a ricevere almeno un valore di tensione in uscita dal convertitore indiretto CA/CA (2) e a erogare un valore di tensione di alimentazione per il forno ad arco (6); in cui l?apparato di adattamento (4) comprende un trasformatore di adattamento (8), avente un lato secondario (82) collegabile con il forno (6) e un lato primario (81) operativamente connesso con l?uscita convertitore (22),
detto sistema di alimentazione (1) essendo caratterizzato dal fatto che tra il convertitore indiretto CA/CA e la rete di alimentazione elettrica (3) ? inserito un gruppo trasformatore di ingresso (5) comprendente un lato primario di trasformatore ingresso (51) collegabile alla rete di alimentazione elettrica (3) e un lato secondario di trasformatore ingresso (52) collegato all?ingresso convertitore (21), detto gruppo trasformatore di ingresso (5) comprendendo almeno un primo trasformatore ingresso (T1) e almeno un secondo trasformatore ingresso (T2), in cui ciascuno di detti primo e secondo trasformatore ingresso (T1, T2) comprende tre gruppi di avvolgimenti secondari (520?; 520??, 520???; 521?; 521??; 521???) tra loro sfasati, ciascuno di detti gruppi di avvolgimenti secondari (520?; 520??, 520???; 521?; 521??; 521???) comprendendo un avvolgimento per ciascuna fase corrispondente ad una fase (R, S, T) della rete di alimentazione elettrica (3).
2. Sistema di alimentazione (1) secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuno di detti primo e secondo trasformatore ingresso (T1, T2) comprende un solo gruppo di avvolgimenti di primario comprendente un avvolgimento per ciascuna fase corrispondente ad una fase (R, S, T) della rete di alimentazione elettrica (3).
3. Sistema di alimentazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il convertitore indiretto CA/CA (2) comprende un gruppo raddrizzatore (210), un inverter (212) e un circuito DC-Link (211) di connessione tra raddrizzatore e inverter.
4. Sistema di alimentazione (1) secondo la rivendicazione 3, in cui il gruppo raddrizzatore (210) comprende tre gruppi raddrizzatori di ingresso indipendenti (210?. 210??, 210??), in cui un primo gruppo di raddrizzatori di ingresso (210?) dei tre gruppi raddrizzatori di ingresso indipendenti ? collegato al primo gruppo di avvolgimenti secondari (520?) del primo trasformatore (T1) e al primo gruppo di avvolgimenti secondari (521?) del secondo trasformatore (T2), in cui un secondo gruppo di raddrizzatori di ingresso (210??) dei tre gruppi raddrizzatori di ingresso indipendenti ? collegato al secondo gruppo di avvolgimenti secondari (520??) del primo trasformatore (T1) e al secondo gruppo di avvolgimenti secondari (521??) del secondo trasformatore (T2),
e in cui un terzo gruppo di raddrizzatori di ingresso (210???) dei tre gruppi raddrizzatori di ingresso indipendenti ? collegato al terzo gruppo di avvolgimenti secondari (520???) del primo trasformatore (T1) e al terzo gruppo di avvolgimenti secondari (521???) del secondo trasformatore (T2).
5. Sistema di alimentazione (1) secondo la rivendicazione 4, in cui il convertitore CA/CA comprende tre circuiti DC-Link indipendenti (211?, 211??, 211???) e tre gruppi inverter indipendenti (212?, 212??, 212???), ciascun circuito DC-Link (211?, 211??, 211???) essendo collegato con un rispettivo gruppo di raddrizzatori di ingresso (210?, 210??, 210???) a monte e ad rispettivo gruppo inverter (212?, 212??, 212??) a valle.
6. Sistema di alimentazione (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il convertitore indiretto CA/CA (2), eroga dall? uscita convertitore (22) un segnale elettrico in corrente alternata avente una frequenza variabile rispetto al segnale elettrico in ingresso all?ingresso convertitore (21), detto segnale elettrico avendo un valore di tensione in uscita adatto ad alimentare il forno ad arco (6).
7. Sistema di alimentazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il trasformatore di adattamento (8) ha una potenza nominale sostanzialmente uguale alla potenza nominale del convertitore indiretto CA/CA (2).
8. Sistema di alimentazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il trasformatore di adattamento (8), ? un trasformatore con primario a triangolo e secondario a triangolo.
9. Sistema di alimentazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui gruppo raddrizzatore (210) comprende un circuito raddrizzatore a diciotto o pi? impulsi.
10. Sistema di gestione arco per un forno ad arco (6) con elettrodi (7), comprendente:
- un sistema di alimentazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7;
- un forno ad arco (30) comprendente elettrodi operativamente connessi con il sistema di alimentazione (1).
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