RU2776027C1 - Arc load ac controller - Google Patents
Arc load ac controller Download PDFInfo
- Publication number
- RU2776027C1 RU2776027C1 RU2021134149A RU2021134149A RU2776027C1 RU 2776027 C1 RU2776027 C1 RU 2776027C1 RU 2021134149 A RU2021134149 A RU 2021134149A RU 2021134149 A RU2021134149 A RU 2021134149A RU 2776027 C1 RU2776027 C1 RU 2776027C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- load
- active filter
- parallel
- arc
- Prior art date
Links
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 abstract 3
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 abstract 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 240000000969 Verbascum thapsus Species 0.000 abstract 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 abstract 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 abstract 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 abstract 1
Images
Abstract
Description
Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, преимущественно к мощным полупроводниковым регуляторам переменного тока, предназначенным для использования в системах питания электродуговых нагрузок, таких как, например, плазмотроны [1, 2, 3]. Плазмотрон переменного тока является нелинейной нагрузкой для источника питания, параметры которой (мощность, падение напряжения, ток, пульсации токов и напряжений) зависят от многих факторов (изменения расхода газа, режима горения дуги, геометрических размеров электродуговой камеры и т.п.). Это предъявляет специфические требования к источнику питания, например, требует наличия регулирующего элемента, обеспечивающего стабильность работы, требуемый уровень мощности плазмотрона и поддержание устойчивого горения дуги во время перехода тока через нуль. Система электропитания плазмотрона переменного тока должна иметь такие характеристики, чтобы обеспечивать снижение скорости нарастания тока плазмотрона до необходимой величины и соответствующее подавление высших гармоник в токе плазмотрона, чтобы была обеспечена как статическая, так и динамическая устойчивость дуги плазмотрона. Уменьшение уровня высших гармоник в токе плазмотрона необходимо также для обеспечения требований по электромагнитной совместимости плазмотронов с другим оборудованием.The claimed technical solution relates to electrical engineering, mainly to powerful semiconductor AC controllers intended for use in power supply systems for electric arc loads, such as, for example, plasma torches [1, 2, 3]. An AC plasma torch is a non-linear load for a power source, the parameters of which (power, voltage drop, current, current and voltage ripples) depend on many factors (changes in gas flow, arc burning mode, geometric dimensions of the electric arc chamber, etc.). This imposes specific requirements on the power source, for example, it requires the presence of a regulating element that ensures the stability of operation, the required power level of the plasma torch and maintaining stable arcing during the current zero transition. The power supply system of the AC plasma torch must have such characteristics as to ensure a decrease in the rate of rise of the plasma torch current to the required value and the corresponding suppression of higher harmonics in the plasma torch current, so that both static and dynamic stability of the plasma torch arc is ensured. Reducing the level of higher harmonics in the plasma torch current is also necessary to meet the requirements for electromagnetic compatibility of plasma torches with other equipment.
Известен простой тиристорный регулятор переменного тока (TP), состоящий из встречно-параллельных тиристоров, включенных последовательно с нагрузкой [4]. Известно также применение таких регуляторов, включенных последовательно с электрическим реактором и образующих тиристорно-реакторную группу, для изменения его индуктивной реакции путем регулирования тока в нем с целью компенсации реактивной мощности в сетях высокого напряжения [5]. Из-за прерывистого характера регулируемого тока такой простой регулятор неприменим для использования в системах питания потребителей, требующих непрерывного изменения тока, как при питании дуговых плазмотронов. Известна также система питания электродуговых печей, состоящая из регулятора на основе встречно-параллельных тиристоров, параллельно и последовательно которым включены электрические реакторы [6, 7]. Для компенсации реактивной мощности, потребляемой системой питания, и фильтрации высших гармоник в таких системах необходима установка статических тиристорных компенсаторов с резонансными фильтрами высших гармоник [7].A simple thyristor AC regulator (TP) is known, consisting of anti-parallel thyristors connected in series with the load [4]. It is also known to use such controllers, connected in series with an electric reactor and forming a thyristor-reactor group, to change its inductive response by regulating the current in it in order to compensate for reactive power in high voltage networks [5]. Due to the discontinuous nature of the regulated current, such a simple regulator is not applicable for use in power supply systems for consumers that require a continuous change in current, as in the supply of arc plasma torches. A power supply system for electric arc furnaces is also known, consisting of a regulator based on anti-parallel thyristors, in parallel and in series with which electric reactors are connected [6, 7]. To compensate for the reactive power consumed by the power supply system and filter higher harmonics in such systems, it is necessary to install static thyristor compensators with resonant filters of higher harmonics [7].
Развитие техники мощных широтно-модулированных (Pulse-Width Modulation, PWM) конверторов напряжения (Voltage Sourced Converter, VSC) [8] и появление модульных многоуровневых преобразователей [9, 10] открывают новые возможности для построения систем регулирования мощности и поддержания параметров сети в системах переменного тока и позволяет использовать простой регулятор на основе встречно-параллельно включенных тиристоров для регулирования тока и стабилизации дуги в плазмотроне.The development of high-power Pulse-Width Modulation (PWM) voltage converters (Voltage Sourced Converter, VSC) [8] and the emergence of modular multilevel converters [9, 10] open up new opportunities for building power control systems and maintaining network parameters in systems alternating current and allows you to use a simple controller based on back-to-back thyristors to control the current and stabilize the arc in the plasma torch.
Заявляемое техническое решение решает задачу создания непрерывного тока в дуговой нагрузке (плазмотроне) при использовании тиристорного регулятора тока, включенного последовательно с электрическим реактором. В соответствии с предложенным техническим решением известный регулятор переменного тока, состоящий из последовательно включенных встречно-параллельных тиристоров и реактора [5], дополнительно содержит транзисторно-конденсаторный широтно-модулированный конвертор, который включается параллельно нагрузке и управляется с помощью обратной связи по току.The claimed technical solution solves the problem of creating a continuous current in the arc load (plasma torch) using a thyristor current regulator connected in series with an electric reactor. In accordance with the proposed technical solution, the known AC regulator, consisting of series-connected back-to-back thyristors and a reactor [5], additionally contains a transistor-capacitor pulse-width-modulated converter, which is connected in parallel with the load and is controlled using current feedback.
TP передает энергию из электрической сети в нагрузку, при этом регулирование перетока энергии осуществляется путем управления фазой включения тиристоров. Ток регулятора is при этом может быть разложен на основную гармонику сетевой частоты isl и ток высших гармоник ish:TP transfers energy from the electrical network to the load, while the regulation of the energy flow is carried out by controlling the turn-on phase of the thyristors. In this case, the controller current is can be decomposed into the main harmonic of the mains frequency isl and the current of higher harmonics ish:
Высокочастотный широтно-модулированный конвертор, представляющий собой активный фильтр, поглощает высшие гармоники токаHigh-frequency PWM converter, which is an active filter, absorbs higher current harmonics
и в нагрузку при этом поступает разностный токand the differential current is supplied to the load
т.е. синусоидальный непрерывающийся ток, равный основной гармонике тока ТР.those. sinusoidal uninterrupted current equal to the fundamental harmonic of the TR current.
На фиг.1 представлена заявляемая схема регулятора переменного тока дуговой нагрузки. Задание напряжения u, формирующего задание тока конвертора, осуществляется регулятором напряжения regu системы управления, на вход которого поступает разностный сигналFigure 1 shows the inventive circuit of the AC arc load controller. The setting of the voltage u, which forms the current setting of the converter, is carried out by the voltage regulator regu of the control system, the input of which receives a difference signal
по сигналу обратной связи с датчика тока is тиристорного регулятора за вычетом первой гармоники этого тока isl, выделяемой блоком regi системы управления.according to the feedback signal from the current sensor is of the thyristor controller, minus the first harmonic of this current isl, allocated by the regi block of the control system.
Применение активного фильтра, шунтирующего нелинейную нагрузку, обеспечивает фильтрацию гармоник, создаваемых не только тиристорным регулятором, но и возникающих в процессе горения дугового разряда вследствие колебания столба дуги [2, 3], обеспечивая дополнительное повышение устойчивости ее горения.The use of an active filter that shunts a non-linear load provides filtering of harmonics created not only by a thyristor controller, but also arising in the process of arc discharge combustion due to arc column fluctuations [2, 3], providing an additional increase in its combustion stability.
Работу заявляемого регулятора переменного тока иллюстрируют графики процессов (фиг. 2), полученные с помощью ELTRAN-модели. ELTRAN [11, 12] является универсальной системой моделирования вентильных преобразователей любой конфигурации и назначения. Вместе с силовой частью преобразователя в ELTRAN-модели отображается и система управления, а также, по мере необходимости, примыкающие внешние цепи. Осуществленная модель, во-первых, отображает подробно все силовые цепи тиристорного регулятора с активным фильтром, представленные на фиг. 1, в том числе:The operation of the proposed AC regulator is illustrated by process graphs (Fig. 2) obtained using the ELTRAN model. ELTRAN [11, 12] is a universal system for modeling valve converters of any configuration and purpose. Together with the power part of the converter, the ELTRAN model also displays the control system, as well as, if necessary, adjacent external circuits. The implemented model, firstly, displays in detail all the power circuits of the thyristor regulator with an active filter, presented in Fig. 1, including:
питающую сеть, отображаемую источником напряжения и индуктивностью сети; the supply network, displayed by the voltage source and the network inductance;
тиристорный регулятор (TP) с последовательным реактором L; thyristor regulator (TP) with series reactor L;
ШИМ-конвертор (АФ1); PWM converter (AF1);
дуговую нагрузку; arc load;
сетевое фильтро-компенсирующее устройство (АФ2 и КБ). Математическое описание модели дуги было представлено в виде аппроксимации ее вольтамперной характеристики в соответствии с [13]. network filter-compensating device (AF2 and KB). The mathematical description of the arc model was presented as an approximation of its current-voltage characteristic in accordance with [13].
Использование тиристорно-реакторного регулятора для питания дуговой нагрузки, также связано с отрицательным действием, оказываемым им на питающую сеть из-за потребления большой реактивной мощности и искажения формы напряжения питающей сети за счет соответствующего искажения напряжения на индуктивности сети при протекании искаженного тока нагрузки. Эти искажения особо выражены при питании сверхмощных плазмотронов от сети общего пользования или питании дуговой нагрузки от сети ограниченной мощности, в частности - от автономных систем генерации электроэнергии [2, 3]. Для стабилизации и приведения формы напряжения на шинах сети к нормативным значениям предлагается использовать активное фильтро-компенсирующее устройство шунтирующего типа [14], состоящее из активного фильтра АФ2 и конденсаторной батареи КБ, как показано на фиг. 1. Работу сетевого активного фильтро-компенсирующего устройства (АФКУ) шунтирующего типа иллюстрируют графики процессов (фиг. 3, фиг. 4), полученные с помощью ELTRAN-модели. На фиг. 3 показано напряжение usb на шинах питающей подстанции в отсутствие сетевого АФКУ. Видно, как напряжение искажено высшими гармониками.The use of a thyristor-reactor controller to power an arc load is also associated with a negative effect on the supply network due to the consumption of large reactive power and distortion of the supply network voltage waveform due to the corresponding voltage distortion on the network inductance when a distorted load current flows. These distortions are especially pronounced when superpowered plasma torches are powered from a public network or the arc load is powered from a limited power network, in particular, from autonomous power generation systems [2, 3]. To stabilize and bring the voltage shape on the network buses to the standard values, it is proposed to use an active shunt-type filter-compensating device [14], consisting of an active filter AF2 and a capacitor bank KB, as shown in Fig. 1. The operation of the network active filter-compensating device (AFKU) of the shunt type is illustrated by process graphs (Fig. 3, Fig. 4) obtained using the ELTRAN model. In FIG. 3 shows the usb voltage on the buses of the supply substation in the absence of a network AFC. It can be seen how the voltage is distorted by higher harmonics.
На фиг. 4 показаны токи и напряжения в схеме регулятора с сетевым активным фильтро-компенсирующим устройством; напряжение usb на шинах после присоединения сетевого АФКУ становится практически синусоидальным, а коэффициент мощности нагрузки сети повышается с 0,75 до 0,94.In FIG. 4 shows the currents and voltages in the regulator circuit with a network active filter-compensating device; the usb voltage on the buses after connecting the network AFC becomes almost sinusoidal, and the network load power factor increases from 0.75 to 0.94.
Источники информацииSources of information
1. Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет/ А.С. Коротеев, В.М. Миронов, Ю.С. Сверчук. - М.: Машиностроение, 1993 г. - 296 с. 1. Plasma torches: designs, characteristics, calculation / A.S. Koroteev, V.M. Mironov, Yu.S. Sverchuk. - M.: Mashinostroenie, 1993 - 296 p.
2. Рутберг Ф.Г., Гончаренко Р.Б., Кумкова И.И., Сафронов А.А. Особенности плазмотронов переменного тока и выбор их автономных источников электропитания применительно к установкам для получения синтез-газа. Известия Академии Наук, Энергетика, №4, 2015 г., стр. 104-115.2. Rutberg F.G., Goncharenko R.B., Kumkova I.I., Safronov A.A. Peculiarities of AC plasma torches and the choice of their autonomous power supply sources in relation to installations for producing synthesis gas. Proceedings of the Academy of Sciences, Energy, No. 4, 2015, pp. 104-115.
3. Гончаренко Р.Б., Киселев А.А., Рутберг А.Ф. и др. Особенности систем электропитания трехфазных плазмотронов переменного тока. Известия Академии Наук, Энергетика, №3, 2012 г., стр. 122-127.3. Goncharenko R.B., Kiselev A.A., Rutberg A.F. and other Features of power supply systems of three-phase AC plasmatrons. Proceedings of the Academy of Sciences, Energy, No. 3, 2012, pp. 122-127.
4. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного привода/ Л.П. Петров, О.А. Андрющенко, В.И. Капинос и др. - М., Энергоатомиздат, 1986. - 200 с. 4. Thyristor voltage converters for asynchronous drive / L.P. Petrov, O.A. Andryushchenko, V.I. Kapinos and others - M., Energoatomizdat, 1986. - 200 p.
5. Статические компенсаторы реактивной мощности для электрических сетей: Сб. статей/под ред. В.И. Кочкина. - М.:ЭЛЕКС-КМ, 2010. - 206 с.5. Static reactive power compensators for electrical networks: Sat. articles / ed. IN AND. Kochkin. - M.: ELEKS-KM, 2010. - 206 p.
6. Patent USA US 2002/0136260 Al. Power Control System For AC Arc Furnace/ T.L. Wai Ma, M. Sedighy, B.K. Perkins, ТА. Gerrtsen, J.Rajda, 26.09.2002.6. Patent USA US 2002/0136260 Al. Power Control System For AC Arc Furnace/ T.L. Wai Ma, M. Sedighy, B.K. Perkins, TA. Gerrtsen, J. Rajda, 26.09.2002.
7. Гетопанов А.Ю., Табкаров Б.Д., Климаш B.C. Исследование регулировочных свойств и влияния на сеть реакторно-тиристорного устройства на высокой стороне печного трансформатора. Промышленная электроника, автоматика и системы управления, №2 (39), 2018 г., стр. 49-55.7. Getopanov A.Yu., Tabkarov B.D., Klimash B.C. Investigation of the regulating properties and influence on the network of a reactor-thyristor device on the high side of a furnace transformer. Industrial electronics, automation and control systems, No. 2 (39), 2018, pp. 49-55.
8. Розанов Ю.К. Силовая электроника: уч. для ВУЗов/ Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. - М.: Изд. дом МЭИ, 2007. - 632 с.8. Rozanov Yu.K. Power electronics: account. for universities / Yu.K. Rozanov, M.V. Ryabchitsky, A.A. Kvasnyuk. - M.: Ed. House MPEI, 2007. - 632 p.
9. Marquardt Rainer (DE) - Current rectification circuit for voltage source inverters with separate energy stores replaces phase blocks with energy storing capacitors. Publication number DE10103031, 2002-07-259. Marquardt Rainer (DE) - Current rectification circuit for voltage source inverters with separate energy stores replaces phase blocks with energy storing capacitors. Publication number DE10103031, 2002-07-25
10. A. Lesnicar, and R. Marquardt, "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range", IEEE PowerTech Conference, Bologna, Italy, June 23-26, 2003.10. A. Lesnicar, and R. Marquardt, "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range", IEEE PowerTech Conference, Bologna, Italy, June 23-26, 2003.
11. Мустафа Г.M. - Матрицы для описания топологии трансформаторов. «Электричество», №10, 1977 г., стр. 34-39.11. Mustafa G.M. - Matrices for describing the topology of transformers. "Electricity", No. 10, 1977, pp. 34-39.
12. Мустафа Г.М., Шаранов И.М. - Математическое моделирование тиристорных преобразователей, «Электричество», №1, 1978 г., стр. 40-45.12. Mustafa G.M., Sharanov I.M. - Mathematical modeling of thyristor converters, "Electricity", No. 1, 1978, pp. 40-45.
13. А.Н. Черненко. Обобщенная модель печной и сварочной дуги/ Вектор науки ТГУ,№3 (17), 2011, с. 68-70.13. A.N. Chernenko. Generalized model of the furnace and welding arc / Vector of Science TSU, No. 3 (17), 2011, p. 68-70.
14. Мустафа Г.М., Гусев С.И. Активные фильтро-компенсирующие устройства шунтирующего и сериесного типа в электрических сетях. «Энергетик», №8, 2019, стр. 3-10.14. Mustafa G.M., Gusev S.I. Active filter-compensating devices of shunt and serial type in electrical networks. Energetik, No. 8, 2019, pp. 3-10.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2776027C1 true RU2776027C1 (en) | 2022-07-12 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5239554A (en) * | 1989-11-30 | 1993-08-24 | Danieli & C. Officine Meccanichi Spa | Direct-arc electric furnace fed with controlled current and method to feed a direct-arc furnace with controlled current |
RU51799U1 (en) * | 2005-03-28 | 2006-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Донэлектроприбор" (ООО НПП "Донэлектроприбор") | THREE PHASE VOLTAGE REGULATOR |
CN104201680A (en) * | 2014-09-17 | 2014-12-10 | 国家电网公司 | Integral power quality regulator and control method |
RU2741061C1 (en) * | 2020-06-11 | 2021-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» (ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова») | Multi-level active filter control system |
CN112653147A (en) * | 2020-12-15 | 2021-04-13 | 国网经济技术研究院有限公司 | Active filter control method and system |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5239554A (en) * | 1989-11-30 | 1993-08-24 | Danieli & C. Officine Meccanichi Spa | Direct-arc electric furnace fed with controlled current and method to feed a direct-arc furnace with controlled current |
RU51799U1 (en) * | 2005-03-28 | 2006-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Донэлектроприбор" (ООО НПП "Донэлектроприбор") | THREE PHASE VOLTAGE REGULATOR |
CN104201680A (en) * | 2014-09-17 | 2014-12-10 | 国家电网公司 | Integral power quality regulator and control method |
RU2741061C1 (en) * | 2020-06-11 | 2021-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» (ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова») | Multi-level active filter control system |
CN112653147A (en) * | 2020-12-15 | 2021-04-13 | 国网经济技术研究院有限公司 | Active filter control method and system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2689503C (en) | Prediction scheme for step wave power converter and inductive inverter topology | |
KR20170071587A (en) | Method and apparatus for intrinsic power factor correction | |
CN102686351A (en) | Universal input power supply utilizing parallel power | |
RU155594U1 (en) | MULTIFUNCTIONAL ELECTRICITY QUALITY REGULATOR FOR THREE PHASE DISTRIBUTION SYSTEMS OF ELECTRICITY SUPPLY OF 0.4 KV | |
JP2007124732A (en) | Power converter | |
US20230074022A1 (en) | Power converter topologies with power factor correction circuits controlled using adjustable deadtime | |
Jean-Pierre et al. | A control scheme based on lyapunov function for cascaded H-Bridge multilevel active rectifiers | |
RU2776027C1 (en) | Arc load ac controller | |
JPH07322634A (en) | Control method of inverter and inverter device | |
Rakshit et al. | Three phase, 10 kVA dual conversion type automatic AC voltage regulator-An approach based on Fuzzy Logic Controlled ĆUK converter and PI controlled three phase inverter | |
US20230071003A1 (en) | Power factor correction circuits controlled using adjustable deadtime | |
US20230076369A1 (en) | Unidirectional power converters with power factor correction circuits controlled using adjustable deadtime | |
Takahashi et al. | Power decoupling method for isolated DC to single-phase AC converter using matrix converter | |
KR20070045552A (en) | Power supply for plasma generator | |
Agrawal et al. | Compensation of voltage flicker using unified power quality conditioner (UPQC) | |
Kortenbruck et al. | Smart grid regulator with asymmetrical controlled inverter | |
RU2741061C1 (en) | Multi-level active filter control system | |
RU195453U1 (en) | MULTILEVEL DEVICE FOR COMPENSATION OF REACTIVE POWER AND SUPPRESSION OF HIGH HARMONIC CURRENT | |
JP3082849B2 (en) | Uninterruptible power system | |
Nunez et al. | Voltage disturbances and unbalance compensation by the use of a 3-phase series active filter | |
Zhu et al. | Neutral-point voltage waveform control method for mitigating the low-frequency ripple current in E-capless full-bridge inverter | |
Niasar et al. | Design and simulation of a single-phase 400 Hz inverter with variable input and output voltages | |
Farhadi-Kangarlu et al. | Multilevel inverter based distribution statcom: Application of the cross-switched multilevel inverter | |
Lin et al. | Single-phase converter with flying capacitor topology | |
Sankaran et al. | Circulating current reduction strategy for three-phase parallel inverters in a microgrid |