PL232748B1 - Układ zasilania energią elektryczną pieca łukowego sześcioelektrodowego - Google Patents

Abstract

Układ zasilania energią elektryczną pieca łukowego sześcioelektrodowego, składa się z trójfazowego układu napięcia, do którego przyłączone są uzwojenia pierwotne transformatora piecowego, a uzwojenia strony wtórnej zasilają trzy jednofazowe prostowniki niesterowane, do których wyjść podłączone jest sześć elektrod pieca łukowego, wyposażony jest w kompensator składający się z bloku dławików, przekształtnika częstotliwości oraz baterii kondensatorów. Przekształtnik częstotliwości sterowany jest parametrami sieci zasilającej przez układ sterowania, w skład którego wchodzą mierniki prądów i napięć, przetwornik analogowo - cyfrowy prądu, przetwornik analogowo - cyfrowy napięcia, blok obliczenia wartości skutecznej napięcia, blok obliczenia mocy biernej, blok obliczenia wartości średnich mocy czynnej i biernej, sumator mocy czynnej, sumator mocy biernej, blok generowania sygnałów sterujących oraz blok sterowania przekształtnikiem częstotliwości. W układzie sterowania stosowany jest blok zadawania funkcji tgozad (14) oraz blok obliczania funkcji tgo (15) na podstawie sygnałów wyznaczonych przez bloki sumatorów mocy czynnej i biernej oraz blok porównywania obu funkcji, a sygnał wyjściowy bloku porównywania funkcji tgo (13) jest przetwarzany na sygnały sterujące przekształtnikiem częstotliwości sterującym kompensatorem.

Description

Wynalazek dotyczy dziedziny elektrotechniki w zakresie układów zasilania pieców łukowych stalowniczych, w warunkach szybkozmiennego zużycia mocy biernej, o szerokim zakresie oraz negatywnym wpływie, na jakość energii w sieci.

Wzrost liczby układów energoelektronicznych w systemach zasilających a także elektrycznych urządzeń łukowych w instalacjach zakładów przemysłowych, powodują zniekształcenie pobieranych prądów.

Przemysłowe odbiorniki energii, których większość stanowią odbiorniki nieliniowe dużych mocy, cechuje zmienny charakter poboru energii oraz mocy biernej w czasie normalnej pracy. Odbiorniki nieliniowe dużych mocy powodują, w trakcie pracy, wprowadzenie do sieci przemysłowej wahań oraz oscylacji napięcia, asymetrii obciążenia a także wyższych harmonicznych napięcia oraz prądu znacznie przekraczających dopuszczalne wartości. Wyższe harmoniczne napięcia powodują zwiększenie strat, a w skrajnych przypadkach prowadzą do zakłóceń w pracy maszyn i urządzeń.

Powszechnie stosowane w praktyce, w celu zmniejszenie problemów związanych z harmonicznymi odkształceniami w układach elektroenergetycznych, są układy filtrów pasywnych, aktywnych oraz hybrydowych. Układy filtrujące ograniczają wpływ wyższych harmonicznych na sieć zasilającą oraz obniżają poziom pobieranej z sieci mocy biernej.

W systemach zasilania energetyki zawodowej oraz układach przemysłowych stosowane są złożone układy filtrujące wysokiego napięcia.

Piec łukowy, ze względu na charakter swego oddziaływania na sieć zasilającą, jest obiektem trudnym do kompensacji.

Znany i stosowany jest układ zasilania opisany w artykule (piec łukowy prądu stałego w zakładzie Societe Metalutgiąue FEscaut (Francja), Le four a arc a coutant continu de la Societe Metalutgiąue de Fescaut. Davene J. “Fils, lubes, bandes ef profiles”, 1987, 20, N2117, 14-16 (Fr.)]. Jednak układ ten ma szereg wad, z których pierwsza polega na tym, że wymaga w obwodzie zasilania trzech transformatorów jednofazowych zasilających trzy jednofazowe prostowniki. Druga wada polega na tym, że do zasilania tego pieca wymagana jest wspólna elektroda, która połączona jest z dnem pieca. Wartość natężenia prądu przepływającego przez tą elektrodę jest równa sumie prądów płynących w elektrodach umieszczonych nad wsadem. Z tego powodu wspólna elektroda wymaga intensywnego chłodzenia, co z kolei znacznie komplikuje konstrukcje pieca.

Znany jest z ukraińskiego patentu nr UA 101412 układ zasilania pieca łukowego, zasilanego prądem impulsowym, który składa się z systemu zasilana w postaci trójfazowego układu napięć, do którego przyłączone są uzwojenia pierwotne transformatora piecowego. Uzwojenia strony wtórnej zasilają trzy jednofazowe prostowniki niesterowane. Do ich wyjść podłączone jest sześć elektrod pieca łukowego. Piec ten zużywa jednak moc bierną o wartości zmiennej przez niestabilność płomienia łuków z maksymalnym odchyleniem do 60% od wartości mocy pozornej zużywanej przez ten piec łukowy. Prowadzi to z kolei do zwiększonych strat mocy czynnej w elementach układu zasilania oraz kołysań napięcia w sieci zasilającej.

Celem rozwiązania według wynalazku jest opracowanie układu, który umożliwia poprawę stanu pracy sieci zasilającej piece łukowe sześcioelektrodowe, poprzez obniżenie wartości strat mocy czynnej w torze zasilania od biernej składowej mocy obciążenia oraz ustabilizowanie wartości napięcia w sieci zasilającej.

Istota wynalazku polega na wyposażeniu układu zasilania pieca łukowego sześcioelektrodowego w kompensator, sterowany parametrami sieci zasilającej, który umożliwia kompensowanie mocy biernej, w celu obniżenia strat mocy czynnej w elementach układu zasilania oraz stabilizację napięci a w sieci zasilającej.

Rozwiązanie według wynalazku składa się z układu zasilania energią elektryczną pieca łukowego sześcioelektrodowego, w postaci trójfazowego układu napięcia, do którego przyłączone są uzwojenia pierwotne transformatora piecowego, a do uzwojenia strony wtórnej przyłączone są trzy jednofazowe prostowniki niesterowane, do których wyjść podłączone jest sześć elektrod pieca łukowego, charakteryzuje się tym, że zawiera kompensator składający się z bloku dławików, przekształtnika częstotliwości, baterii kondensatorów oraz układ sterowania przekształtnika częstotliwości w skład którego wchodzą; przetwornik analogowo-cyfrowy prądu, przetwornik analogowo-cyfrowy napięcia, blok obliczenia wartości skutecznej napięcia, blok obliczenia wartości średnich mocy czynnej i biernej, sumator mocy czynnej, sumator mocy biernej, blok obliczenia funkcji tg^, blok zadawania funkcji tg<fad, blok porównywania

PL 232 748 B1 wartości obu funkcji, blok obliczenia mocy biernej, blok obliczenia częstotliwości napięcia zasilającego baterię kondensatorów, blok generowania sygnałów sterujących przekształtnikiem częstotliwości, mierniki prądów i napięć, blok sterowania przekształtnikiem częstotliwości.

Do zacisków uzwojeń pierwotnych transformatora piecowego podłączone są równolegle wejścia bloku dławików, wyjścia których są podłączone do pierwszych wejść przekształtnika częstotliwości, a jego wyjścia podłączone do wejść baterii kondensatorów, natomiast do drugiego wejścia przekształtnika częstotliwości podłączone jest wyjście bloku sterowania przekształtnikiem częstotliwości, do wejścia którego przyłączone jest wyjście bloku generowania sygnałów sterujących, wejście którego podłączone jest do wyjścia bloku obliczenia częstotliwości. Korzystnym jest gdy przekształtnik częstotliwości jest przekształtnikiem macierzowym, szczególnie o jednakowej ilości wejść i wyjść.

Pierwsze wejście bloku obliczenia częstotliwości połączone jest z wyjściem bloku obliczenia mocy biernej, natomiast drugie wejście połączone jest z wyjściem bloku obliczenia wartości skutecznej napięcia.

Do pierwszego wejścia bloku obliczenia mocy biernej podłączone jest pierwsze wyjście bloku porównywania funkcji tg# do pierwszego wejścia którego podłączone jest wyjście bloku zadawania funkcji tg^zad, a do drugiego wejścia bloku porównywania funkcji tg# przyłączone jest wyjście bloku obliczenia funkcji tg#.

Drugie wyjście bloku porównywania funkcji tg#, połączone jest z trzecim wejściem bloku obliczania wartości średnich mocy czynnej i biernej.

Do pierwszego wejścia bloku obliczenia funkcji tg# podłączone jest wyjście bloku sumatora mocy czynnej, zaś do drugiego wejścia bloku obliczenia funkcji tg# podłączone jest wyjście bloku sumatora mocy biernej.

Drugie wyjście bloku sumatora mocy czynnej przyłączone jest do trzeciego wejścia bloku obliczania mocy biernej, natomiast do drugiego wejścia bloku obliczania mocy biernej jest podłączone drugie wyjście bloku zadawania tgfad.

Do wejść sumatora mocy czynnej podłączone są pierwsze wyjścia bloku obliczania wartości średnich mocy czynnej i biernej, dla każdej fazy a wejścia sumatora mocy biernej połączone są z drugimi wyjściami bloku obliczania wartości średnich mocy czynnej i biernej.

Do pierwszych wejść bloku obliczania wartości średnich mocy czynnej i biernej podłączone są wyjścia przetwornika analogowo-cyfrowego prądu, do drugich wejść bloku obliczania wartości średnich mocy czynnej i biernej przyłączone są pierwsze wyjścia przetwornika analogowo-cyfrowego napięcia, a do trzeciego wejścia bloku obliczania wartości średnich mocy czynnej i biernej podłączone jest drugie wyjście bloku porównywania funkcji tgr/>.

Drugie wyjście przetwornika analogowo-cyfrowego napięcia podłączone jest do wejścia bloku obliczenia wartości skutecznej napięcia, wyjście którego podłączone jest do wejścia bloku obliczenia częstotliwości.

Do wejść przetwornika analogowo-cyfrowego prądu podłączone są wyjścia mierników prądu, a do wejść przetwornika analogowo-cyfrowego napięcia podłączone są wyjścia miernika napięć, którego wejścia podłączone są równolegle do wejść uzwojenia pierwotnego transformatora piecowego. Do drugiego wyjścia przetwornika analogowo-cyfrowego napięcia przyłączone wejście bloku obliczenia wartości skutecznej napięcia, którego wyjście połączone jest z drugim wejściem bloku obliczenia częstotliwości.

Zastosowanie bloku dławików, przekształtnika częstotliwości, baterii kondensatorów, przetworników analogowo-cyfrowych prądu i napięcia, bloku obliczenia wartości skutecznej napięcia, bloku obliczenia wartości średnich mocy czynnej i biernej, sumatora mocy czynnej, sumatora mocy biernej, bloku obliczenia tg#, bloku zadawania tgφzad, bloku porównywania funkcji, bloku obliczenia mocy biernej, bloku obliczenia częstotliwości, bloku generowania sygnałów sterujących, mierników prądów i napięć i bloku sterowania przekształtnikiem częstotliwości, pozwala na sterowanie generacją mocy biernej i stabilizację wartości napięcia w układzie zasilania pieca łukowego oraz obniżenie strat mocy czynnej w elementach układu zasilania.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu zasilania energią elektryczną pieca łukowego sześcioelektrodowego według wynalazku.

Przykład realizacji układu zasilania pieca łukowego sześcioelektrodowego przedstawion y na rysunku zawiera układ kompensatora składającego się z bloku dławików kompensacyjnych 6, przekształtnika częstotliwości 7 i baterii kondensatorów 8, przyłączonego do sieci zasilającej 1, do której podłączone zostały zaciski uzwojenia strony pierwotnej transformatora piecowego 3. Do zacisków uzwojeń strony wtórnej transformatora 3 podłączone są zaciski wejściowe układu prostowników niesterowanych 4, z których

PL 232 748 Β1 wyjść jest zasilanych sześć elektrod pieca łukowego 5. Zaciski wejściowe bloku dławików 6 włączone są do sieci zasilającej 1 równolegle z uzwojeniem pierwotnym transformatora piecowego 3, a ich wyjścia przyłączone są do pierwszych zacisków wejściowych przekształtnika częstotliwości 7, z wyjść którego wykonane jest podłączenie do baterii kondensatorów 8. Drugie wejście przekształtnika częstotliwości 7, który jest przekształtnikiem macierzowym, podłączone jest do wyjścia bloku sterowania przekształtnikiem częstotliwości 9, który z kolei zasilany jest z bloku generowania macierzy sygnałów sterujących

10. Wejście bloku 10 jest przyłączone do wyjścia bloku obliczenia częstotliwości 11, którego pierwsze wejście jest przyłączone do wyjścia bloku obliczenia mocy biernej 12, a drugie wejście bloku 11 przyłączone do wyjścia bloku obliczenia wartości skutecznej napięcia 21. Pierwsze wejście bloku 12 przyłączone jest do pierwszego wyjścia bloku porównywania funkcji tg<p 13, pierwsze wejście którego połączone jest z pierwszym wyjściem bloku zadawania tg/zaa 14. Do drugiego wejścia bloku 13 przyłączone jest wyjście bloku obliczenia funkcji tg<p 15, do pierwszego wejścia którego, przyłączone jest wyjście sumatora mocy czynnej 16, a do drugiego wejścia bloku 15 przyłączone jest wyjście sumatora mocy biernej 17. Drugie wyjście sumatora mocy czynnej 16 przyłączone jest do trzeciego wejścia bloku 12, a wejścia sumatora 16 podłączone jest do pierwszych wyjść bloku obliczenia wartości średnich mocy czynnej i biernej 18, do drugich wyjść którego przyłączone są wejścia sumatora 17. Pierwsze wejścia bloku 18 przyłączone jest do wyjść przetwornika analogowo-cyfrowego prądu 19, wejścia którego są połączone z wyjściami mierników prądu 2, a drugie wejścia bloku 18, przyłączone do wyjściami przetwornika analogowo-cyfrowego napięcia 20. Do drugiego wyjścia przetwornika 20 przyłączone jest wejście bloku 21, wyjście którego przyłączone do drugiego wejścia bloku 11. Do wejść przetwornika 20 przyłączone są wyjścia miernika napięcia 22, którego wejścia przyłączone są do zacisków trójfazowego układu napięć 1. Do drugiego wyjścia przetwornika 20 przyłączone jest wejście bloku 21, dodatkowo do trzeciego wejścia bloku 18 przyłączone jest drugie wyjście bloku 13.

Układ zasilania pieca łukowego sześcioelektrodowego pracuje w następujący sposób: od trójfazowego układu napięcia 1, przez mierniki prądu 2 oraz transformator piecowy trójfazowy 3 i trzy jednofazowe prostowniki niesterowane 4, zasilane jest sześć elektrod pieca łukowego 5, które w czasie topienia wsadu tworzą łuki elektryczne pobierające moc czynną, a indukcyjności transformatora 3 oraz toru wielkoprądowego zużywają taką moc bierną, że współczynnik mocy mieści się zwykle w przedziale 0,5-0,7. Przez mierniki prądu 2 płynie prąd od trójfazowego układu napięć 1, który przetwarzany jest w przetworniku 19 na sygnał dyskretny i przekazywany jest przez pierwsze wejście do bloku 18. Do bloku 18, poprzez drugie wejście połączone z pierwszym wyjściem bloku 20, przekazywany jest sygnał dyskretny napięcia a do wejść przetwornika 20, podawane są sygnały analogowe, proporcjonalne do wartości chwilowych, z miernika napięcia 22. Przez drugie wyjście przetwornika 20 podawany jest sygnał dyskretny napięcia na wejście bloku 21. W bloku obliczenia wartości średnich mocy czynnej i biernej 18 odbywa się obliczenie wartości średniej mocy czynnej zgodnie ze wzorem

oraz mocy biernej zgodnie ze wzorem ^J dla każdej fazy osobno, w przedziale 25 okresów częstotliwości podstawowej (50 Hz). Wartości mocy czynnej każdej fazy przekazuje się do sumatora mocy czynnej 16, a wartości mocy biernej każdej fazy przekazuje się do sumatora mocy biernej 17, w których obliczana jest moc czynna i moc bierna pobierana przez piec łukowy od trójfazowego układu napięcia 1. Od sumatorów 16 i 17 wartości mocy czynnej i mocy biernej przekazywana jest do bloku obliczenia funkcji tg<p 15, gdzie obliczana jest wartość funkcji tg<p, to jest stosunku wartości średniej mocy biernej do wartości średniej mocy czynnej, obliczanych w przedziale 25 okresów. Przez drugie wejście do bloku porównywania 13 wpływa sygnał o wartości tg<p z bloku 15, a przez pierwsze wejście bloku 13 wpływa sygnał z bloku zadawania tg (zaa 14, a w bloku 13 sygnały te są porównywane. Jeśli wartość tg<p > tg/zaa, to kompensowana jest moc bierna o wartości Q = P-tg</>_zad tgO zad, którą obliczana jest w bloku obliczenia mocy biernej 12. Przy znanej pojemności baterii kondensatorów, z zależności mocy biernej kondensatora od wartości skutecznej napięcia i częstotliwości wartości chwilowej tego napięcia, określana jest wartość częstotliwości, przy której bateria kondensatorów generuje zapotrzebowaną moc bierną, zgodnie z zależnością

Q

CU¹ 2nCU²

PL 232 748 B1

Obliczenie to odbywa się w bloku obliczania częstotliwości 11, do którego przez pierwsze wejście wpływa informacja z bloku 12 o wartości mocy biernej, podlegającej kompensacji, a przez drugie wejście bloku 11 wpływa informacja z bloku obliczenia wartości skutecznej napięcia 21. Informacja o obliczonej częstotliwości z bloku i 11 wpływa do bloku generowania sygnałów sterujących 10, gdzie sygnał częstotliwości jest przetwarzany na sygnały sterujące pojedyncze fazy przekształtnika, które przekazywane są do bloku sterowania przekształtnikiem częstotliwości 9. Z wyjścia bloku 9 sygnały sterowania przekazywane są do przekształtnika częstotliwości 7, na zaciskach wyjściowych którego występuje napięcie o częstotliwości, obliczonej w bloku 11.

W układzie zasilania pieca łukowego sześcioelektrodowego kompensacja dynamiczna mocy biernej oraz poprawa stanu pracy tego pieca osiągana jest przez wybór optymalnych parametrów bloku dławików 7, baterii kondensatorów 8 oraz dyskretyzacji zmian częstotliwości napięcia wyjściowego przekształtnika częstotliwości 7. Wartość przedziałów dyskretyzacji częstotliwości napięcia wyjściowego przekształtnika częstotliwości dobiera się w zależności od mocy pieca łukowego, parametrów sieci zasilające oraz stanów technologicznych pieca.

Wprowadzenie dyskretnego sposobu zmiany częstotliwości istotnie upraszcza układ sterowania przekształtnikiem częstotliwości oraz podnosi niezawodność jego pracy, co obniża koszty inwestycyjne.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (22)

1. Układ zasilania energią elektryczną pieca łukowego sześcioelektrodowego w postaci trójfazowego układu napięcia, do którego przyłączone są uzwojenia pierwotne transformatora piecowego, a do uzwojenia strony wtórnej przyłączone są trzy jednofazowe prostowniki niesterowane, do których wyjść podłączone jest sześć elektrod pieca łukowego, wyposażonego w kompensator, zawierający blok dławików, przekształtnik częstotliwości, baterię kondensatorów, a przekształtnik częstotliwości sterowany jest parametrami sieci zasilającej przez układ sterowania, w skład którego wchodzą mierniki prądów i napięć, przetwornik analogowo-cyfrowy prądu, przetwornik analogowo-cyfrowy napięcia, blok obliczenia wartości skutecznej napięcia, blok obliczenia mocy biernej, blok obliczenia wartości średnich mocy czynnej i biernej, sumator mocy czynnej, sumator mocy biernej, blok generowania sygnałów sterujących oraz blok sterowania przekształtnikiem częstotliwości znamienny tym, że zaciski wejściowe bloku dławików (6) włączone są do sieci zasilającej (1), równolegle z uzwojeniem pierwotnym transformatora piecowego (3), a ich wyjścia przyłączone są do pierwszych zacisków wejściowych przekształtnika częstotliwości (7), do wyjść którego podłączona jest bateria kondensatorów (8), a do drugiego wejście przekształtnika częstotliwości (7) podłączone jest do wyjścia bloku sterowania przekształtnikiem częstotliwości (9), do wejścia którego przyłączone jest wyjście bloku generowania sygnałów sterujących (10), wejście którego podłączone jest do wyjścia bloku obliczenia częstotliwości (11), którego pierwsze wejście jest przyłączone do wyjścia bloku obliczenia mocy biernej (12), a drugie wejście bloku (11) przyłączone jest do wyjścia bloku obliczenia wartości skutecznej napięcia (21), natomiast pierwsze wejście bloku (12) przyłączone jest do pierwszego wyjścia bloku porównywania funkcji tg# (13), pierwsze wejście którego połączone jest z pierwszym wyjściem bloku zadawania tg# (14), zaś do drugiego wejścia bloku (13) przyłączone wyjście bloku obliczenia funkcji tg# (15), do pierwszego wejścia którego, przyłączone jest wyjście sumatora mocy czynnej (16), a do drugiego wejścia bloku (15) przyłączone jest wyjście sumatora mocy biernej (17), zaś drugie wyjście sumatora (16) przyłączone jest do trzeciego wejścia bloku (12) a do drugiego wejścia bloku (12) przyłączone jest drugie wyjście bloku (14), podczas gdy wejścia sumatora (16) podłączone jest do pierwszych wyjść bloku obliczenia wartości średnich mocy czynnej i biernej (18), do drugich wyjść którego przyłączone są wejścia sumatora mocy biernej (17), a pierwsze wejścia bloku (18) przyłączone są do wyjść przetwornika analogowo-cyfrowego prądu (19), wejścia którego są połączone z wyjściami mierników prądu (2), natomiast drugie wejścia bloku (18), przyłączone są do wyjść przetwornika analogowo-cyfrowego napięcia (20), wejścia którego są połączone z wyjściami miernika napięcia (22), którego wejścia przyłączone są do zacisków trójfazowego układu napięć (1), zaś do drugiego wyjścia przetwornika (20) przyłączone wejście bloku (21), dodatkowo do trzeciego wejścia bloku (18) przyłączone jest drugie wyjście bloku (13).

PL 232 748 B1

2. Układ zasilania energią elektryczną pieca łukowego sześcioelektrodowego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że przekształtnik częstotliwości (7), do którego pierwszych wejść przyłączone są wyjścia bloku dławików (6), a do wyjść podłączona jest bateria kondensatorów (8), jest przekształtnikiem macierzowym, korzystnie o jednakowej ilości wejść i wyjść.

Wykaz oznaczeń

1. Układ napięcia trójfazowego./ sieć zasilająca.

2. Zespół przekładników prądu./ mierniki prądu.

3. Transformator piecowy.

4. Zespół prostowników niesterowanych.

5. Zespół elektrod pieca łukowego.

6. Blok dławików kompensujących.

7. Przekształtnik częstotliwości.

8. Bateria kondensatorów.

9. Blok sterowania przekształtnikiem częstotliwości.

10. Blok generowania macierzy sygnałów sterujących.

11. Blok obliczania częstotliwości napięcia zasilającego baterię kondensatorów.

12. Blok obliczania mocy biernej.

13. Blok porównania wartości tgó (zadanego i obliczonego).

14. Blok zadawania wartości tgfaad.

15. Blok obliczania wartości tg#.

16. Sumator mocy czynnej.

17. Sumator mocy biernej.

18. Blok obliczania wartości średnich mocy czynnej i biernej.

19. Przetwornik analogowo-cyfrowy prądu.

20. Przetwornik analogowo-cyfrowy napięcia.

21. Blok obliczania wartości skutecznej napięcia.

22. Miernik napięć.