PL174299B1

PL174299B1 - Przetwornik mocy do zasilania prądem stałym elektrycznego pieca łukowego

Info

Publication number: PL174299B1
Application number: PL94303245A
Authority: PL
Inventors: Parc Jacques Du; Christophe Glinski; Michel Wursteisen
Original assignee: Cegelec Metals Systems
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1998-07-31
Also published as: CA2122438A1; ES2137335T5; DE69420889D1; EP0622974B2; TW279299B; HU216986B; KR940025141A; CN1044304C; EP0622974B1; ES2137335T3; CZ99894A3; HUT70234A; GR3032160T3; EP0622974A1; JPH07170742A; UA35575C2; ATE185230T1; BR9401655A; DK0622974T3; DE69420889T2

Abstract

1. Przetwornik mocy do zasilania pradem sta- lym elektrycznego pieca lukowego, zaopatrzony w co najmniej jeden transformator zasilany od strony uzwo- jen pierwotnych trójfazowym pradem zmiennym, któ- ry maco najmniej jedno wtórne uzwojenie, przez które plynie prad trójfazowy i które jest polaczone z zespo- lem prostownikowym, którego stalopradowe wyjscie jest polaczone ze wsadem pieca, przy czym zespól prostownikowy przyporzadkowany do kazdego uz- wojenia wtórnego transformatora, jest wyposazony w sterowane przyrzady pólprzewodnikowe, znamienny tym, ze miedzy punktem srodkowym wtórnego uzwo- jenia (10, 11) transformatora i zaciskami stalopradowego wyjscia zespolu prostownikowego (12) jest wlaczony obwód sterowania przeplywem energii (19) typu kola zamachowego, a sterowane przyrzady pólprzewodni- kowe (T1, T2) sa wlaczane ze zróznicowanymi katami wlaczania ( a 1, a2) dla zwiekszania i zmniejszania czasu przewodzenia przyrzadów pólprzewodnikowych (T1, T2) w stanie wlaczenia. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest przetwornik mocy do zasilania prądem stałym elektrycznego pieca łukowego.

Łukowe piece elektryczne są stosowane przede wszystkim do topienia i rafinacji złomu.

174 299

Rozwiązanie według wynalazku stosuje się zwłaszcza przy zasilaniu prądem stałym takich pieców, których parametry elektryczne są szczególnie podatne na częste i znaczne wahania.

Znany od dawna sposób zasilania prądem pieca łukowego polega na bezpośrednim zasilaniu elektrod zmiennym prądem trójfazowym poprzez pierwszy transformator obniżający, który zasila układ szyn zbiorczych, rozprowadzających prąd do co najmniej jednego regulowanego transformatora zmniej szającego napięcie do żądanego poziomu i bezpośrednio zasilającego piec. Piec ma zbiornik zawierający złom, wewnątrz którego umieszczone są trzy ruchome elektrody, z których każda jest połączona z jedną z faz uzwojenia wtórnego drugiego transformatora obniżającego napięcie. Powstający łuk pomiędzy elektrodami i złomem powoduje stopienie i rafinację złomu.

Taki piec zasilany prądem zmiennym, pobiera zasadniczo stałą moc, lecz wahania mocy biernej i natężenia prądu są znaczne. Praca odbywa się przy zasadniczo stałej mocy czynnej, z wyjątkiem pracy w zwarciu. W szczególności, znaczne wahania mocy biernej mogą powodować znaczne wahania napięcia sieci zasilającej, powodując w niej zakłócenia elektryczne.

Istnieje tendencja do zastąpienia zasilania pieców łukowych prądem zmiennym, zasilaniem prądem stałym, przy zastosowaniu przetwornika prądu zmiennego na stały, pomiędzy drugim transformatorem obniżającym i elektrodami.

Zasilanie prądem stałym posiada dwie zasadnicze zalety. Jedną jest to, że biegun dodatni łuku jest tworzony przez sam złom, w postaci stałej lub stopionej, a ruchoma elektroda, jedna lub kilka, tworzy biegun ujemny. Rozproszenie energii wzdłuż łuku jest nieliniowe i jest większe po stronie bieguna dodatniego, przez co ogrzewa się bardziej złom niż elektroda. Drugą zaletą jest to, że występowanie przetężeń spowodowane zwarciem łuku, bardzo częste w etapie włączania i topienia, jest ograniczane przez przetwornik. Pociąga to za sobą mniejsze zużywanie się elektrod, zmniejszenie zakłóceń elektrycznych wprowadzanych do sieci, zwłaszcza migotania a w efekcie, poprawienie wydajności pieca.

Przetwornik na prąd stały stosowany dotychczas, znany jest na przykład z opisu patentowego nr FR-2588432. W przetworniku tego rodzaju uzwojenie pierwotne transformatora zasila co najmniej jedno uzwojenie wtórne, które jest połączone z mostkiem prostowniczym, odpowiadającym typowemu mostkowi Graetza, z klasycznymi sterowanymi przyrządami półprzewodnikowymi, korzystnie tyrystorami. Jeden z zacisków wyjściowych każdego z mostków jest połączony ze wspólną ruchomą elektrodą, a drugi zaciskjest połączony, za pośrednictwem cewki wyrównawczej, z elektrodą denną pieca i bezpośrednio styka się ze złomem. Dla ograniczenia harmonicznych wprowadzanych do sieci stosuje się liczne mostki Graetza dla sześciu pulsacji, z których każdy jest zasilany z przesunięciem fazy wtórnych uzwojeń transformatora.

To znane urządzenie pracuje przy prądzie stałym o niezmiennej wartości z dużymi wahaniami mocy czynnej, w odróżnieniu od zasilania prądem zmiennym. Można stwierdzić zmniejszone, lecz wciąż istotne wahania mocy biernej. Ponadto, w wartościach średnich, konsumpcja energii biernej jest zwiększona, co narzuca z reguły obecność regulatora dla drugiego transformatora obniżającego napięcie i zespołu kompensacyjnego. Takie urządzenie na prąd stały nie oferuje żadnych istotnych ulepszeń względem urządzenia na prąd zmienny.

Przetwornik mocy według wynalazku, stosowany jest do zasilania prądem stałym elektrycznego pieca łukowego. Jest on zaopatrzony w co najmniej jeden transformator zasilany od strony uzwojeń pierwotnych trójfazowych prądem zmiennym, który ma co najmniej jedno wtórne uzwojenie, przez które płynie prąd trójfazowy i które jest połączone z zespołem prostownikowym, którego stałoprądowe wyjście jest połączone ze wsadem pieca. Zespół prostownikowy przyporządkowany do każdego uzwojenia wtórnego transformatora, jest wyposażony w sterowane przyrządy półprzewodnikowe. Przetwornik tego rodzaju charakteryzuje się tym, że między punktem środkowym wtórnego uzwojenia transformatora i zaciskami stałoprądowego wyjścia zespołu prostownikowego, jest włączony obwód sterowania przepływem energii, typu koła zamachowego, a sterowane przyrządy półprzewodnikowe są włączane ze zróżnicowanymi kątami włączania, dla zwiększania i zmniejszania czasu przewodzenia przyrządów półprzewodnikowych w stanie włączenia.

Korzystne jest, że obwód sterowania przepływem energii jest obwodem diodowym, przy czym przetwornik jest nieodwracalny.

174 299

Zespoły prostownikowe dołączone do wtórnych uzwojeń transformatora są połączone ze sobą w układzie z przesunięciem, z różniącymi się od siebie kątami włączania sterowanych przyrządów półprzewodnikowych.

Zespół prostownikowy jest korzystnie zaopatrzony w podzespół ustalania kątów włączania sterowanych przyrządów półprzewodnikowych dostosowany do minimalizowania pobieranej mocy biernej przy minimalnej wartości średniej na cykl, dla zadanego punktu pracy, ewentualnie do minimalizowania wahań mocy biernej wokółjej wartości średniej, dla zadanego wyprostowanego prądu, ewentualnie do utrzymywania na stałym poziomie wartości średniej pobieranej mocy biernej w przypadku wahań wyprostowanego prądu.

Korzystne jest, że zespoły prostownikowe są połączone ze sobą w równoległym układzie z przesunięciem. Ponadto, zespoły prostownikowe są dostosowane do cyklicznej zmiany kierunku przesunięcia.

Korzystne jest, że przetwornik dodatkowo jest zaopatrzony w zespoły regulacji prądów dwóch zespołów prostownikowych, przy czym wielkości tych prądów są zasadniczo równe.

Korzystne jest, że przetwornik jest zaopatrzony w zespół urządzeń prostownikowych, których przyporządkowane transformatory są zasilane z przesunięciem fazowym.

Przetwornik prądu stałego według wynalazku umożliwia znaczną redukcję poboru mocy biernej i znaczne ulepszenie charakterystyki prądowo napięciowej dla łuku na prąd stały, przy zmniejszeniu całkowitego kosztu przetwornika, poprzez uproszczenie transformatora bezpośrednio zasilającego piec, ponieważ regulator nie jest już konieczny i znaczną redukcję wymiarów zespołu kompensacyjnego, zwykle o połowę.

Przetwornik na prąd stały według wynalazku umożliwia pracę przy zasadniczo stałej mocy czynnej, tak jak w przypadku pieca zasilanego prądem zmiennym, lecz przy niewielkim poborze mocy biernej i bez nadmiernej rozbudowy przetwornika i przyporządkowanego mu transformatora.

Zgodnie z wynalazkiem, można w prosty sposób wpływać na charakterystykę moc bierna - moc czynna, dla jej optymalizacji, w zależności od sposobu zastosowania pieca.

Możliwe jest na przykład, uzyskanie charakterystyki, która minimalizuje wartość pobieranej mocy biernej dla danego punktu pracy, lub charakterystyki, która minimalizuje wahania mocy biernej wokółjej wartości średniej, w szczególności w przypadku sieci zasilających o zbyt małych rozmiarach, dla których zmniejszenie migotania w sieci jest ważnym zadaniem, przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności, jak i zmniejszeniu kosztów instalacji.

Ponadto, można wybrać charakterystyki pracy pieca w taki sposób, że pobierana moc bierna pozostaje zasadniczo stała pomimo ewentualnych wahań prądu, w szczególności w przypadku wahań impedancji wsadu.

Przedmiot wynalazku został szczegółowo opisany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie znaną konfigurację pieca łukowego zasilanego bezpośrednio prądem zmiennym, fig. 2 i 3 przedstawiają odpowiednio, charakterystykę napięciowo-prądową i charakterystykę moc bierna - moc czynna znanego pieca zasilanego prądem zmiennym, fig. 4 przedstawia schematycznie konfigurację pieca łukowego zasilanego prądem stałym ze znanego przetwornika, fig. 5 - bardziej szczegółowo znany układ mostka Graetza, fig. 6 i 7 przedstawiają, odpowiednio charakterystykę napięciowo-prądową i charakterystykę moc bierna - moc czynna pieca zasilanego prądem stałym z fig. 4, fig. 8 przedstawia schematycznie konfigurację pieca łukowego zasilanego prądem stałym z przetwornikiem według wynalazku, fig. 9 i 10 przedstawiają znane konfiguracje układów sprzęgających z przesunięciem licznych przetworników o tej samej strukturze, fig. 12 i 13 przedstawiają odpowiednio charakterystykę napięciowo-prądową i charakterystykę moc bierna - moc czynna pieca zasilanego prądem stałym przez przetwornik według wynalazku, posiadający możliwość zmiany kątów włączania mostków Graetza, które to kąty zostały pokazane w dolnej części fig. 13, fig. 14 przedstawia różne charakterystyki moc bierna - moc czynna, które są możliwe do uzyskania poprzez wybór odpowiednich kątów włączania, dla przystosowania pracy pieca do różnych rodzajów wykorzystania, a fig. 15 przedstawia rodzinę charakterystyk moc bierna - moc czynna uzyskanych dla różnych wartości wyprostowanego prądu, wynikających ze zmniejszania impedancji wsadu.

174 299

Jak przedstawiono na fig. 1, znana konfiguracja pieca polega na bezpośrednim zasilaniu elektrod zmiennym prądem trójfazowym poprzez pierwszy transformator obniżający napięcie 1 i układ szyn zbiorczych 2, które rozprowadzają prąd do co najmniej jednego regulowanego transformatora 3 obniżającego napięcie do żądanego poziomu i bezpośrednio zasilającego piec 4. Piec 4 składa się ze zbiornika 5, zawierającego w swej wewnętrznej części złom 6, wewnątrz którego umieszczone są trzy ruchome elektrody 7, z których każda jest połączona z jedną z faz uzwojenia wtórnego regulowanego transformatora 3, powodując powstanie łuku 8 pomiędzy elektrodami 7 i złomem 6, co z kolei powoduje stopienie i rafinację złomu.

Na figurach 2 i 3 przedstawiono charakterystyki pracy takiego pieca łukowego na prąd zmienny, zależność napięcia U od prądu I i zależność mocy biernej Q od mocy czynnej P, dla różnych punktów pracy. Punkt CC reprezentuje punkt pracy dla zwarcia, F - zakres odpowiadający topieniu złomu, A - zakres odpowiadający rafinacji złomu.

Jak można stwierdzić, taki piec zasilany prądem zmiennym, pobiera zasadniczo stałą moc, to znaczy AP jest niewielkie, lecz wahania mocy biernej AQ i natężenia prądu ΔΙ są znaczne. Praca odbywa się przy zasadniczo stałej mocy czynnej, z wyjątkiem pracy w zwarciu. W szczególności, znaczne wahania mocy biernej mogą powodować znaczne wahania napięcia sieci zasilającej, powodując w niej zakłócenia elektryczne, w szczególności w postaci migotania, to znaczy wahań napięcia o częstotliwości w paśmie 0-30 Hz./

Znaną strukturę pieca łukowego z przetwornikiem na prąd stały przedstawiono schematycznie na fig. 4. Uzwojenie pierwotne regulowanego transformatora 9, zasilającego bezpośrednio przetworniki, zasila co najmniej jedno uzwojenie wtórne 10, 11, z których każde jest połączone z zespołem - mostkiem prostownikowym 12, zwykle w układzie Graetza, z zastosowaniem sterowanych przyrządów półprzewodnikowych (tyrystorów). Jeden z zacisków wyjściowych każdego z zespołów prostownikowych 12 jest połączony ze wspólną ruchomą elektrodą 7, a drugi zacisk jest połączony poprzez wyrównawczą cewkę indukcyjną 13, z elektrodą denną 14, bezpośrednio stykającą się ze złomem 6.

Zespół - mostek prostownikowy 12 w układzie Graetza jest szczegółowo przedstawiony na fig. 5. Zespół prostownikowy 12 składa się z dwóch serii po trzy tyrystory 15, 16, zamontowanych w układzie podwójnej równoległości lub trójfazowej podwójnej zmienności, odpowiednio ze wspólną katodą i wspólną anodą, a współpracujący z drugą z elektrod za pośrednictwem tego samego układu (gwiazda lub trójkąt) napięć wielofazowych. Każda z serii tyrystorów 15, 16, zostaje włączona z jednakowym, wspólnym kątem włączania α lub α2.

Generalnie, w celu ograniczenia harmonicznych wprowadzanych do sieci stosuje się liczne sześcioimpulsowe mostki Graetza, z których każdy jest zasilany z przesunięciem fazy wtórnych uzwojeń transformatora. Na fig. 4 przedstawiono dwa wtórne uzwojenia 10, 11, przesunięte w fazie o 30° poprzez układ gwiazda-trójkąt, zasilające mostki Graetza, lecz rozwiązanie to można uogólnić dla trzech mostków Graetza przesuniętych w fazie o -20°, 0°, +20°, lub czterech mostków Graetza przesuniętych w fazie o 0°, +15°, +30° i 45°. Każdy z mostków Graetza jest elementarnym przetwornikiem sześcioimpulsowym.

Chociaż w opisie rozważany jest układ dwóch prostowników, na przykład dwóch mostków Graetza, rozwiązanie według wynalazku dotyczy również większej liczby prostowników, zasilanych z uzwojeń wtórnych przesuniętych w fazie.

Figury 6 i 7 odpowiadają figurom 2 i 3 rysunku, lecz dotyczą zasilania urządzenia zasilanego prądem stałym.

Jak można zauważyć, urządzenie pracuje przy prądzie stałym o niezmiennej wartości z dużymi wahaniami mocy czynnej P, w odróżnieniu od zasilania prądem zmiennym. Można stwierdzić zmniejszone, lecz wciąż istotne wahania mocy biernej Q. Ponadto, w wartościach średnich, konsumpcja energii biernej jest zwiększona, co narzuca z reguły obecność regulatora obciążenia 17 dla dolnego transformatora i zespołu kompensacyjnego 18. Takie urządzenie na prąd stały nie oferuje żadnych istotnych ulepszeń względem urządzenia na prąd zmienny.

Wahania AQ mocy biernej w różnych zakresach pracy są jednakże mniejsze, niż w przypadku zasilania prądem zmiennym, w wyniku czego do sieci wprowadzane są mniejsze wahania napięcia i zmniejszone migotanie. Lecz w przypadku sieci zasilających o niewystarczających rozmiarach, te wahania napięcia, które są proporcjonalne do pobieranej mocy biernej i

174 299 odwrotnie proporcjonalne do mocy zwarciowej sieci, pozostają często zbyt duże, w szczególności z powodu migotania, i wymagają bardzo kosztownych zespołów do dodatkowej korekcji.

Jeśli weźmie się pod uwagę chwilowe wartości pobieranej mocy biernej, można zauważyć, że wartości te wahają się nieznacznie dla prądu stałego, ponieważ regulacja prądu wykonywana przez przetwornikjest zasadniczo wystarczająco szybka dla ograniczania przetężeń w momencie zwarcia do dopuszczalnych wartości.

Idea wynalazku opiera się na połączeniu tradycyjnej struktury przetwornika tyrystorowego z obwodem sterowania przepływem energii 19, typu koła zamachowego, oraz na umożliwieniu sterowania odpowiadającego zasadniczo stałej mocy czynnej, której wartość będzie dostosowana do charakterystyki łuku, dla zwiększenia wydajności pieca, a jednocześnie do możliwości przetwornika.

Obwód sterowania przepływem energii 19, typu koła zamachowego, jest obwodem blokującym przepływ prądu w jednym kierunku i umożliwiającym przepływ w przeciwnym, spolaryzowanym w sposób umożliwiający zgromadzonej energii elektrycznej w elementach indukcyjnych w czasie przewodzenia tyrystorów przetwornika, przepływanie do wsadu pieca w czasie okresu zamknięcia, który następuje po okresie przewodzenia.

Obwód sterowania przepływem energii wykorzystywany przez wynalazek jest takiego typu, który umożliwia zmianę w obrębie cyklu czasu przewodzenia głównych tyrystorów, w zależności od kąta włączenia. Długość okresu czasu włączenia w tym obwodzie sterowania wzrasta wraz ze zmniejszaniem się czasu przewodzenia głównych tyrystorów.

Według wynalazku, wykorzystuje się obwód sterowania przepływem energii 19, typu koła zamachowego, dla zwiększenia amplitudy prądu stałego przy zmniejszaniu napięcia stałego i na odwrót. Kąt wyzwalania tyrystorów wzrasta i w zależności od tego czas przewodzenia tyrystora w obrębie cyklu zmniejsza się, i na odwrót. Uzyskuje się więc moc czynną zasadniczo stałą bez nadmiernej rozbudowy tyrystorów i transformatora.

W zilustrowanym przykładzie, który dotyczy pieca łukowego, obwód sterowania przepływem energii 19 typu koła zamachowego, jest zrealizowany przez diody 20 zamontowane pomiędzy punktem środkowym wtórnego uzwojenia 10 transformatora i każdym ze stałoprądowych zacisków wyjściowych zespołu prostownikowego 12. Dioda jest oczywiście spolaryzowana w kierunku przeciwnym do kierunku przewodzenia diod mostka Graetza.

Zastosowanie diod zamiast tyrystorów w obwodzie sterowania przepływem energii 19 sprawia, że przetwornik jest nieodwracalny w zależności od mocy. Własność ta mogłaby zostać uznana za wadę, lecz w rozważanym zastosowaniu, stanowi ona w rzeczywistości znaczącą zaletę.

W rezultacie, w klasycznym rozwiązaniu mostka Graetza, przetwornikjest przetwornikiem odwracającym dwie ćwiartki przebiegu prądowego (prąd stały jednokierunkowy, lecz napięcie stałe dwukierunkowe), co umożliwia regulację prądu tak, · by był szczególnie wydajny w przypadku zwarcia łuku, z jednoczesnym ograniczeniem przetężeń do rozsądnej wielkości. Jest to oczywiście korzystne dla sieci zasilającej, lecz nie dla zwarcia łuku, które chce się usunąć najszybciej, jak to jest możliwe, poprzez stopienie złomu spowodowane zwarciem. W rozwiązaniu z bezpośrednim zasilaniem prądem zmiennym, przetężenie powstające przy zwarciu łuku umożliwia, w przeciwieństwie, szybsze stopienie złomu, lecz wówczas powstają duże problemy z mocą bierną.

Dzięki temu, że przetwornik jest nieodwracalny w zależności od mocy, rozwiązanie według wynalazku umożliwia osiągnięcie licznych korzyści. W momencie zwarcia łuku, przetężenie spowodowane nieodwracalnością struktury umożliwia szybsze stopienie złomu spowodowane zwarciem, bez odprowadzania nadmiaru mocy biernej do sieci zasilającej, ponieważ przetężenia nie będą zbierane przez diody obwodu typu koła zamachowego. Ponadto, wspomniane przetężenia mogą być kontrolowane i optymalizowane w zależności od własności elektrod dla ograniczenia ich zużycia.

Zgodnie z innym aspektem wynalazku, korzystne jest zastosowanie w transformatorze licznych uzwojeń wtórnych, takich jak uzwojenia 10 i 11, połączonych w układzie z przesunięciem, w szczególności w układzie równoległym. Kombinacja efektu przesunięcia i pracy obwodu typu koła zamachowego umożliwia uzyskanie znacznego zmniejszenia pobieranej mocy biernej.

174 299

Dokładniej, znana technika przesuwania, przedstawiona na schematach z fig. 9, 10, 11, składa się z połączenia co najmniej dwóch przetworników o tej samej strukturze i zróżnicowania ich kątów włączania w sposób oddziałujący na pobieraną moc bierną. Mówi się więc o sterowaniu z przesunięciem lub sterowaniu sekwencyjnym. Ten sposób jest zazwyczaj stosowany przy łączeniu szeregowym, po stronie prądu stałego, dwóch mostków, jak pokazano na fig. 9. Jest to szeregowy układ z przesunięciem.

W obecnym przypadku, napięcie stałe zasilające łuk jest względnie niewielkie w stosunku do możliwości tyrystorów dużej mocy, a montowanie szeregowe z przesunięciem, prowadzi do złego zastosowania technologicznego tyrystorów. Preferuje się tutaj montowanie typu równoległego z przesunięciem, przedstawionego na fig. 10 i 11, w dwóch możliwych wariantach.

Przy równoległym układzie z przesunięciem z fig. 10 i 11, łączy się dwa mostki Graetza, z których każdy jest utworzony przez dwa przesunięte półmostki, generujące więc pary harmonicznych, w przeciwieństwie do klasycznych mostków Graetza, lecz ze skrzyżowaniem przesunięć wewnętrznych półmostków w taki sposób, by całkowicie wyeliminować na wyjściu pary harmonicznych.

Jednakże, klasyczny układ równoległy z przesunięciem bez obwodu typu koła zamachowego, taki jak na fig. 10 lub 11, posiada wadę polegającą na tworzeniu ryzyka rekomutacji tyrystorów, w szczególności przy napięciu stałym bliskim zera. W celu ograniczenia tego ryzyka, dotychczas starano się ograniczać zakres wahań kątów włączania, zmniejszając znacznie zysk mocy biernej.

Zaletą połączenia, zaproponowanego w rozwiązaniu według wynalazku, układu z przesunięciem z obwodem typu koła zamachowego, jest całkowite usunięcie ryzyka rekomutacji, jeśli obwód typu koła zamachowego umożliwia w obrębie cyklu zmianę czasu przewodzenia głównych tyrystorów. Osiąga się więc pełne gromadzone zyski mocy biernej, przy pełnym bezpieczeństwie pracy.

Na figurze 6 przedstawiono kompletny schemat pieca z zasilaniem z obwodem diodowego koła z punktem zerowym i równoległym układem z przesunięciem. W rozwiązaniu tym dąży się, poprzez możliwość odpowiedniego sterowania, do zminimalizowania w każdej chwili (tzn. dla zadanego punktu pracy) pobieranej mocy biernej i przez to energii biernej. Przypadek ten odpowiada sytuacji, w której priorytetowym parametrem do optymalizacji jest jak najniższa średnia wartość pobieranej mocy biernej.

W rezultacie, oddziaływuje się na parametry regulacji, jakimi są kąty włączania αι i α₂ w sposób umożliwiający uzyskanie maksymalnego przesunięcia, tzn. maksymalną wartość (αι - ). Inna regulacja; ponieważ można oddziaływać oddzielnie na dwa kąty włączania αι i α₂, możliwa jest regulacja dwóch funkcji, co umożliwia regulację prądu stałego, lub mocy czynnej w czasie pracy.

Na figurach 12 i 13 przedstawiono charakterystyki pracy uzyskane dla schematu z fig. 8, w przypadku pierwszego wariantu, z minimalizacją pobieranej średniej mocy biernej.

Na figurze 12 przedstawiono charakterystykę napięcie/prąd, która jest zbliżona do charakterystyki dla bezpośredniego zasilania prądem zmiennym, tzn. praca odbywa się przy stałej mocy. Strefa zakreskowana oznacza poprawę własności w stosunku do klasycznego przetwornika.

Na figurze 13 przedstawiono charakterystykę moc bierna/moc czynna dla zadanego punktu pracy, tzn. dla stałego prądu I, lub prądu wyprostowanego Id nie zmieniającego się i zmiennej zastępczej rezystancji łuku. Ta charakterystyka pokazuje, że pobierana moc bierna jest więcej niż trzy razy mniej sza od maksymalnej mocy czynnej, co powoduje znaczną poprawę w stosunku do poprzedniej sytuacji dla zasilania prądem zmiennym lub stałym (porównać z fig. 3 i 7). W dolnej części fig. 13 umieszczono ponadto wykres zakresu zmienności kąta włączania αι i α₂ w zależności od dostarczonej mocy.

Zalety uzyskane dzięki wynalazkowi przy takim schemacie są bardzo znaczne. Uzyskuje się usunięcie regulatora transformatora przetwornika, istotne zmniejszenie mocy baterii kompensującej i filtrującej (o około dwa razy), istotne zwiększenie wydajności, dotyczące ilości i czasu trwania, zmniejszenie wahań napięcia wprowadzanych do sieci zasilającej, zmniejszenie migotań, zmniejszenie strat przetwornika, zmniejszenie harmonicznych i zakłóceń wysokoczęstotliwościowych wytwarzanych przez przetwornik.

174 299

Jedynym warunkiem dla uzyskania tych ulepszeń jest zastosowanie diodowego obwodu sterowania przepływem energii 19, typu koła zamachowego i dobranie odpowiednich wymiarów dla połączeń, a więc indukcyjności wyrównawczych, przewodów elektrod za przetwornikiem, tak by ich rozmiar był dopasowany do dopuszczalnych przetężeń. W praktyce, prowadzi to do zmniejszenia kosztu inwestycyjnego elektrycznego pieca łukowego.

W drugim wariancie, wybrano zdolność sterowania parametrów regulacji, tzn. kątów włączania α1 i α2, w zależności od dostarczonej mocy, w taki sposób, by kłaść nacisk już nie na redukcję średniej pobieranej mocy biernej, lecz na redukcję wahań mocy biernej wokół jej wartości średniej, i w związku z tym redukcję migotania, pozwalając na pobór nieznacznie większej średniej mocy biernej. Stosuje się wówczas przetwornik zdolny do kontrolowania mocy czynnej, przy jednoczesnym stałym poborze mocy biernej, którą można kompensować przez prosty zespół kompensacyjny 18 z fig. 4, o stałych pojemnościach.

W drugim wariancie zachowuje się zasadniczy schemat z fig. 8 (tzn. zastosowanie mostka Graetza i obwodu sterowania przepływem energii 19, typu koła zamachowego z przesunięciem) z możliwością sterowania kątów włączania αι i α2, lecz w odróżnieniu od przypadku poprzedniego, nie szukając maksymalnej wartości przesunięcia kątów włączania α2 i α1.

Na figurze 14 przedstawiono charakterystykę moc bierna Q/moc czynna P, dla zadanego punktu pracy, tzn. dla niezmiennego prądu stałego I, lub prądu wyprostowanego Ii i zmiennej rezystancji zastępczej łuku. Na fig. 14 charakterystyka I odpowiada schematowi klasycznemu przetwornika bez obwodu sterowania przepływem energii 19, typu koła zamachowego, i bez przesunięcia, tzn. charakterystyce z fig. 7. Charakterystyka II odpowiada schematowi z obwodem sterowania przepływem energii 19, typu koła zamachowego, lecz bez żadnego przesunięcia, tzn. schematowi z fig. 8 przy warunku równości kątów włączania (αι = α2). Charakterystyka III odpowiada temu samemu schematowi, przy maksymalnym przesunięciu, tzn. dla maksymalnej wartości różnicy kątów włączenia (α11 - α2) (charakterystyka przedstawiona na fig. 13).

Pomiędzy zerowym przesunięciem i maksymalnym przesunięciem można uzyskać nieskończenie wiele różnych charakterystyk, z których wszystkie znajdują się w strefie zakreskowanej pomiędzy charakterystykami II i III.

Dokładniej, charakterystyki te są wyznaczane przez następujące równania:

P = R x Ii = EixIi = Ei xIi xfP (α1,α2)

Q = Eio x Ii x fq (α1,α2)

P moc czynna

Q moc bierna

R rezystancja zastępcza łuku

Ii prąd wyprostowany

Ei wyprostowane napięcie pracy

Eio wyprostowane napięcie jałowe dla zerowego przesunięcia fp,fq funkcje kątów włączania

Tak więc, dla zadanego punktu pracy, tzn. dla danych R i Ii, będzie wyznaczane P, lecz Q będzie regulowane w pewnym zakresie.

Można na przykład wymusić stałą moc bierną Q, co odpowiada charakterystyce IV, lub również wszystkim charakterystykom zawartym w zakreskowanej strefie. Wyliczane są wówczas Id, P i Q a α1 - α2 są wyznaczane bezpośrednio.

Zresztą, jeśli na przykład, jak wskazano wyżej, dąży się do utrzymywania zasadniczo stałej mocy czynnej powodując wzrost Ii przy spadku rezystancji zastępczej łuku (lub na odwrót), nastąpi przemieszczenie punktu pracy, i przez to wystąpi przesunięcie charakterystyki na diagramie.

Załóżmy, że rozwiązując układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi zapewni się, dla punktu pracy dla zadanego prądu, charakterystykę odpowiadającą tej z fig. 5 oznaczonej przez V, tzn., funkcję Q=f(P) monotonicznie rosnącą. W tym przypadku, podczas gdy prąd Ii zmienia się, charakterystyka V przemieszcza się w sposób zilustrowany na fig. 15, wyznaczając rodzinę

174 299 charakterystyk odpowiadających, każda zadanemu punktowi pracy (prąd Id). Można więc wybrać odpowiedni zakres zmian Id=f(R) monotonicznie malejących, że Q pozostanie stała pomimo wahań Id.

W tym ostatnim przypadku, stosuje się więc przetwornik oferujący, dla wszystkich punktów pracy (lub przynajmniej dla dużej ich większości), jednoczesną zasadniczą stałość mocy biernej Q i mocy czynnej P.

Dla realizacji zależności określonych wspomnianym układem równań zespoły prostownikowe 12 zaopatrzone są w sterowane podzespoły ustalania wielkości parametrów regulacji stanowiących kąty włączania α i C2 regulowanych przyrządów półprzewodnikowych T1, T2, dla minimalizowania pobieranej mocy biernej przy minimalnej wartości średniej na cykl zadanego punktu pracy, ewentualnie dla minimalizowania wahań mocy biernej wokół jej wartości średniej przy zadanej wartości wyprostowanego prądu Id, ewentualnie dla utrzymywania na stałym poziomie wartości średniej pobieranej mocy biernej w przypadku wahań wyprostowanego prądu Id.

Ponadto, liczne ulepszenia mogą zostać zastosowane we właściwie przedstawionym schemacie zasadniczym. Po pierwsze, można z korzyścią zaplanować cykliczne zmiany kierunku przesunięcia dwóch mostków (αι + α2 dla jednego mostka i α2 + α dla drugiego), w celu wyrównywania nagrzewania się półprzewodników i ograniczenia ryzyka pojawiania się składowych stałych szkodliwych dla indukcji magnetycznych transformatora.

Okres tych cyklicznych zmian może zostać wyliczony w zależności od termicznej stałej czasowej półprzewodników i składowej stałej dopuszczalnej dla transformatora. Jeśli chodzi o moment zmiany w obrębie cyklu, powinien on być tak wybrany, by minimalizować amplitudę przejściową powstających komutacji, od strony sieci lub od strony prądu stałego. Przejścia te nie powinny być większe niż naturalne fluktuacje łuku.

Ponadto, można również zaprojektować podwójną regulację prądową, realizując oddzielną regulację prądów każdego z mostków Graetza, równoległą, lub jednoczesną regulację sumy dwóch prądów i ich równości (regulacja typu krzyżowanie wielu zmiennych).

W przypadku braku równowagi pomiędzy dwoma mostkami może wystąpić zła kompensacja par harmonicznych i może być wówczas konieczne ograniczenie nierównowagi (ograniczenie αι-α1 i α2-α2') tak, by ograniczyć pary harmonicznych do akceptowalnego poziomu. Ryzyko takie może w szczególności wystąpić, gdy dwa mostki Graetza nie są połączone dokładnie równolegle, a mianowicie w przypadku, gdy połączenie jest realizowane nie na poziomie zacisków dolnych indukcyjności wyrównywania, lecz na poziomie dwóch elektrod dennych, połączonych elektrycznie przez stopę zbiornika.

Ponadto, można połączyć ze sobą liczne podzespoły tego samego typu, takie jak przedstawiony na fig. 9, zasilając je przez transformatory przesunięte w fazie, w celu zmniejszenia harmonicznych. Przesunięcie fazowe transformatorów odbywa się z korzyścią na poziomie uzwojeń pierwotnych, na przykład przy uzwojeniu typu trójkąt zygzakowaty lub trójkąt ze środkowym gniazdem.

174 299

FIG .13

174 299

FIG.8

174 299 ftOOflft

u FIG.6

O-

ΔΙ=Ο

174 299

FIG1

FIG.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Przetwornik mocy do zasilania prądem stałym elektrycznego pieca łukowego, zaopatrzony w co najmniej jeden transformator zasilany od strony uzwojeń pierwotnych trójfazowym prądem zmiennym, który ma co najmniej jedno wtórne uzwojenie, przez które płynie prąd trójfazowy i które jest połączone z zespołem prostownikowym, którego stałoprądowe wyjście jest połączone ze wsadem pieca, przy czym zespół prostownikowy przyporządkowany do każdego uzwojenia wtórnego transformatora, jest wyposażony w sterowane przyrządy półprzewodnikowe, znamienny tym, że między punktem środkowym wtórnego uzwojenia (10, 11) transformatora i zaciskami stałoprądowego wyjścia zespołu prostownikowego (12) jest włączony obwód sterowania przepływem energii (19) typu koła zamachowego, a sterowane przyrządy półprzewodnikowe (T1, T2) są włączane ze zróżnicowanymi kątami włączania (al, a2) dla zwiększania i zmniejszania czasu przewodzenia przyrządów półprzewodnikowych (T1, T2) w stanie włączenia.
2. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że obwód sterowania przepływem energii (19) jest obwodem diodowym (20), przy czym przetwornik jest nieodwracalny.
3. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że zespoły prostownikowe (12) dołączone do wtórnych uzwojeń (10, 11) transformatora są połączone ze sobą w układzie z przesunięciem, z różniącymi się od siebie kątami włączania (α1, α2) sterowanych przyrządów półprzewodnikowych (T1, T2).
4. Przetwornik według zastrz. 3, znamienny tym, że zespół prostownikowy (12) jest zaopatrzony w podzespół ustalania kątów włączania (α1, α2) sterowanych przyrządów półprzewodnikowych (T1, T2) dostosowany do minimalizowania pobieranej mocy biernej przy minimalnej wartości średniej na cykl, dla zadanego punktu pracy.
5. Przetwornik według zastrz. 3, znamienny tym, że zespół prostownikowy (12) jest zaopatrzony w podzespół ustalania kątów włączania (α1, α2) sterowanych przyrządów półprzewodnikowych (T1, T2) dostosowany do minimalizowania wahań mocy biernej wokół jej wartości średniej (Q), dla zadanego wyprostowanego prądu (Id).
6. Przetwornik według zastrz. 3, znamienny tym, że zespół prostownikowy (12) jest zaopatrzony w podzespół ustalania kątów włączania (α1,α2) sterowanych przyrządów półprzewodnikowych (T1, T2) dostosowany do utrzymywania na stałym poziomie wartości średniej pobieranej mocy biernej (Q) w przypadku wahań wyprostowanego prądu (Id).
7. Przetwornik według zastrz. 3, znamienny tym, że zespoły prostownikowe (12) są połączone ze sobą w równoległym układzie z przesunięciem.
8. Przetwornik według zastrz. 3, znamienny tym, że zespoły prostownikowe (12) są dostosowane do cyklicznej zmiany kierunku przesunięcia.
9. Przetwornik według zastrz. 3, znamienny tym, że dodatkowo jest zaopatrzony w zespoły regulacji prądów dwóch zespołów prostownikowych (12), przy czym wielkości tych prądów są zasadniczo równe.
10. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że jest zaopatrzony w zespół urządzeń prostownikowych (12), których odpowiednie transformatory są zasilane z przesunięciem fazowym.