RU2801397C1 - Converter and power supply unit - Google Patents
Converter and power supply unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2801397C1 RU2801397C1 RU2022113800A RU2022113800A RU2801397C1 RU 2801397 C1 RU2801397 C1 RU 2801397C1 RU 2022113800 A RU2022113800 A RU 2022113800A RU 2022113800 A RU2022113800 A RU 2022113800A RU 2801397 C1 RU2801397 C1 RU 2801397C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- power supply
- current
- voltage
- heat sink
- power
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники, к которой относится предлагаемое изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Описанные здесь варианты осуществления изобретения относятся к преобразователю или инвертору для преобразования постоянной электрической величины в переменную. В частности, изобретение относится к такому преобразователю высокой мощности, который может быть успешно использован для работы со средними напряжениями.The embodiments of the invention described herein relate to a converter or inverter for converting a constant electrical quantity into a variable. In particular, the invention relates to such a high power converter, which can be successfully used for medium voltage operation.
Описываемые здесь варианты осуществления изобретения относятся также к блоку электропитания, в котором используется один или более указанных преобразователей или инверторов и который пригоден для питания нагрузки, требующей высокой мощности, например, электродуговой печи.The embodiments of the invention described herein also relate to a power supply unit that uses one or more of these converters or inverters and is suitable for supplying a load requiring high power, such as an electric arc furnace.
Предпосылки создания предлагаемого изобретенияPrerequisites for the creation of the invention
Известно использование преобразователей для преобразования постоянной электрической величины в переменную электрическую величину, используемую для питания определенной нагрузки, которая может быть более или менее постоянной или изменяющейся.It is known to use transducers to convert a constant electrical quantity into a variable electrical quantity used to power a particular load, which may be more or less constant or varying.
В зависимости от потребностей и различных применений преобразователи могут использоваться по отдельности или в соединении друг с другом.Depending on the needs and different applications, the converters can be used individually or in combination with each other.
Из патента ЕР-В-3124903 на имя настоящего заявителя известен блок электропитания для электродуговой печи, имеющий устройство позиционирования электродов и блок регулирования, содержащий совокупность преобразователей, выборочно управляемых для регулирования напряжения и тока питания электродов.From patent EP-B-3124903 in the name of the present applicant, a power supply unit for an electric arc furnace is known, having an electrode positioning device and a control unit containing a set of converters selectively controlled to regulate the voltage and current of the electrode supply.
Таким образом, описанный в EP'903 блок электропитания ведет себя как регулируемый генератор тока и способен подавать электроэнергию для питания электродуговой печи в соответствии со стадией ее работы (перфорирование, плавление, рафинирование). Этим решение EP'903 отличается от традиционных решений, в которых трансформатор ведет себя как генератор напряжения, а ток не регулируется, а ограничивается только параметрами схемы замещения, которые изменяются в зависимости от стадии процесса.Thus, the power supply described in EP'903 behaves like a regulated current generator and is able to supply electricity to power the electric arc furnace in accordance with its stage of operation (perforating, melting, refining). In this, the EP'903 solution differs from traditional solutions, in which the transformer behaves like a voltage generator and the current is not regulated, but limited only by the equivalent circuit parameters, which change depending on the stage of the process.
Блок электропитания, описанный в EP'903, позволяет также отдельно регулировать ток и напряжение дуги таким образом, чтобы значительно ограничить колебания тока на первой стадии процесса, то есть на стадии перфорирования, и сделать его практически стабильным на последующих стадиях плавления и рафинирования.The power supply described in EP'903 also makes it possible to separately regulate the current and arc voltage in such a way as to significantly limit the current fluctuations in the first stage of the process, i.e. the perforating stage, and make it practically stable in the subsequent stages of melting and refining.
Одним из наиболее очевидных получаемых преимуществ является стабильность регулирования электродов, в отличие от обычных установок, в которых электроды находятся в постоянном движении для поддержания стабильности подаваемого тока, что необходимо для обеспечения устойчивости дуги с неуправляемым током.One of the most obvious benefits is the stability of the electrode regulation, as opposed to conventional installations in which the electrodes are in constant motion to maintain the stability of the applied current, which is necessary to ensure the stability of the arc with uncontrolled current.
Блок электропитания, описанный в EP'903, характеризуется максимальным током, который может быть обеспечен системой управления током.The power supply described in EP'903 is characterized by the maximum current that can be provided by the current management system.
Затем мощность изменяют путем регулирования в соответствии с подаваемым током, и напряжение дуги, которое, в свою очередь, может изменяться как механически, путем подъема и опускания электрода с помощью устройства позиционирования, так и путем широтно-импульсного регулирования для управления преобразователями.The power is then varied by regulation according to the supplied current and the arc voltage, which in turn can be varied both mechanically, by raising and lowering the electrode using a positioning device, and by pulse-width regulation to control the transducers.
Стандартные преобразователи или инверторы высокой мощности для средних напряжений обычно содержат батарею соединенных последовательно и/или параллельно конденсаторов для накопления электрической энергии, теплоотвод и совокупность силовых полупроводников, подключенных к конденсаторной батарее и установленных на теплоотводе. Компоненты преобразователя обычно заключены в металлический корпус, снабженный входными и выходными соединителями, подключаемыми, соответственно, к входному контуру, например, к сети электроснабжения, и к выходному контуру, подключенному, например, к нагрузке или пользовательскому устройству, на которое должно быть подано электропитание.Standard high power medium voltage converters or inverters typically include a bank of capacitors connected in series and/or in parallel to store electrical energy, a heat sink, and an array of power semiconductors connected to the capacitor bank and mounted on the heat sink. The converter components are usually enclosed in a metal case provided with input and output connectors connected respectively to an input circuit, for example, to the power supply network, and to an output circuit, connected to, for example, a load or a user device to which power is to be supplied.
Известны преобразователи, содержащие силовые полупроводники, например модули БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором), которые попеременно открываются и закрываются в зависимости от прохождения положительной или отрицательной полуволны тока.Known converters containing power semiconductors, such as modules IGBT (insulated gate bipolar transistor), which alternately open and close depending on the passage of a positive or negative half-wave current.
Конденсаторная батарея и теплоотвод обычно заземлены, а заземлитель встроен в корпус преобразователя, который из соображений безопасности также обычно заземлен.The capacitor bank and heat sink are normally grounded, and the grounding conductor is built into the converter housing, which is also normally grounded for safety reasons.
Каждый модуль БТИЗ управляется платой, которая включает и выключает статические полупроводниковые переключатели, позволяя току течь к нагрузке. Имея определенный профиль импульсов включения и выключения, полупроводниковые переключатели питают нагрузку прямоугольными импульсами различной амплитуды.Each IGBT module is controlled by a board that turns the static semiconductor switches on and off, allowing current to flow to the load. Having a certain profile of on and off pulses, semiconductor switches feed the load with rectangular pulses of various amplitudes.
Подходящим образом применяя широтно-импульсную модуляцию к схеме омическо-индуктивного типа, можно получить огибающую синусоидального типа. Эта цифровая модуляция по сути позволяет получить переменное среднее напряжение в зависимости от соотношения между длительностью положительного импульса (ВКЛ) и общей длительностью импульса (ВКЛ + ВЫКЛ); это отношение определяется как рабочий цикл.By suitably applying pulse width modulation to an ohmic-inductive type circuit, a sinusoidal type envelope can be obtained. This digital modulation essentially makes it possible to obtain an alternating average voltage depending on the ratio between the positive pulse duration (ON) and the total pulse duration (ON + OFF); this ratio is defined as duty cycle.
Модули БТИЗ состоят из соответствующим образом легированных кремниевых чипов, расположенных на теплопроводной, но электроизолирующей подложке, которая, в свою очередь, приварена к основанию из луженой меди. Затем микросхемы помещают в пластиковый корпус, внутри которого они защищены гелем-наполнителем, соединяют с помощью системы проволочных соединений с внешними клеммами, к которым подключают кабели или силовые шины и сигнальные шины, управляющие включением и выключением БТИЗ.IGBT modules consist of suitably doped silicon chips on a thermally conductive but electrically insulating substrate, which is in turn welded to a tinned copper base. Then the microcircuits are placed in a plastic case, inside which they are protected by a gel filler, connected using a system of wire connections to external terminals, to which cables or power buses and signal buses are connected that control the on and off of the IGBT.
Для рассеивания тепла, выделяемого во время работы, БТИЗ крепятся к теплоотводу соответствующего размера, который может охлаждаться принудительной вентиляцией или водой.To dissipate heat generated during operation, IGBTs are attached to an appropriately sized heat sink that can be cooled by forced ventilation or water.
База БТИЗ и теплоотвод имеют две плоские поверхности, обращенные друг к другу, между которыми помещен диэлектрик, в частности, термопаста, служащая для улучшения теплопередачи между этими поверхностями, так что на каждом полупроводнике, присутствующем в модуле, образуется паразитная емкость.The base of the IGBT and the heat sink have two flat surfaces facing each other, between which is placed a dielectric, in particular, thermal paste, which serves to improve heat transfer between these surfaces, so that parasitic capacitance is formed on each semiconductor present in the module.
Конструкция описанного выше преобразователя или инвертора способствует образованию паразитных емкостей, которые образуются, в частности, между силовыми полупроводниками и теплоотводом, соединенным с корпусом преобразователя, а также между корпусом, содержащим конденсаторы, и корпусом преобразователя.The design of the converter or inverter described above contributes to the formation of parasitic capacitances, which are formed, in particular, between the power semiconductors and the heat sink connected to the converter case, and also between the case containing the capacitors and the converter case.
Когда переключатели включаются и выключаются для генерирования синусоидальной волны в сторону нагрузки, то есть положительных и отрицательных полуволн, обусловленных прохождением тока в преобразователе, в случае применения в блоке электропитания электродуговой печи они переключают напряжение, например, с 1800 В на 0 В и наоборот с временем переключения порядка сотен наносекунд. Поэтому получается очень большое изменение напряжения в зависимости от времени dv/dt, порядка 5 кВ/мкс, так что из-за паразитных емкостей происходит генерирование тока на землю.When the switches are turned on and off to generate a sine wave in the load side, i.e. positive and negative half-waves due to the current flow in the converter, in the case of an electric arc furnace power supply unit, they switch the voltage, for example, from 1800 V to 0 V and vice versa with time switching on the order of hundreds of nanoseconds. This results in a very large voltage variation as a function of time dv/dt, of the order of 5 kV/µs, so that a current is generated to earth due to parasitic capacitances.
Величину тока, направленного на землю, можно рассчитать по формулеThe amount of current directed to earth can be calculated using the formula
где ΔV - изменение напряжения (определяемое разницей между 1800 В и 0 В или наоборот); where ΔV is the change in voltage (determined by the difference between 1800 V and 0 V or vice versa);
ΔT - время, в течение которого происходит изменение, равное примерно 250 нс;ΔT is the time during which the change occurs, equal to about 250 ns;
C - паразитная емкость, возникающая между базой модулей БТИЗ и теплоотводом.C is the parasitic capacitance that occurs between the base of the IGBT modules and the heat sink.
Например, если паразитная емкость для модуля БТИЗ составляет около 2 нФ, то общая паразитная емкость, например, для четырех модулей БТИЗ составляет около 8 нФ, и эта емкость добавляется к общей емкости конденсаторов, так что для каждого отдельного преобразователя можно получить емкость около 25-30 нФ.For example, if the parasitic capacitance for an IGBT module is about 2 nF, then the total parasitic capacitance for, for example, four IGBT modules is about 8 nF, and this capacitance is added to the total capacitance of the capacitors, so that for each individual converter, a capacitance of about 25- 30 nF.
В случае системы электропитания, снабженной совокупностью преобразователей, например 60 модулями, можно получить очень высокую общую емкость порядка 1,5-1,8 мкФ. Переключатели модулей БТИЗ переключаются, чтобы задать синусоидальную волну, поэтому из-за общей емкости может генерируется ток на землю, имеющий пик, значительно превышающий 200-250 А.In the case of a power supply system equipped with a plurality of converters, for example 60 modules, a very high total capacitance of the order of 1.5-1.8 microfarads can be obtained. The switches of the IGBT modules are switched to set a sine wave, so due to the total capacitance a ground current can be generated that has a peak well over 200-250A.
Кроме того, поскольку каждое внутреннее соединение с каждым преобразователем, определяемое проводником определенной длины, имеет паразитную индуктивность, при возникновении тока, генерируемого паразитными емкостями, возникают затухающие колебания.In addition, since each internal connection to each converter, defined by a conductor of a certain length, has a parasitic inductance, damped oscillations occur when a current generated by parasitic capacitances occurs.
В системах электропитания описанного выше типа пики и осцилляции генерируемого паразитного тока могут привести к случайному срабатыванию различных защит, устранению насыщения или нарушению запрограммированного состояния открытия / закрытия драйверов модулей с последующим риском поломок, ошибке вспомогательных источников питания, перенапряжению, пониженному напряжению, погрешности по переменному току и т. д. Некоторые из этих нарушений не связаны с реальной аварией, а представляют собой просто помехи сигналов, которые интерпретируются системами управления как авариии.In power supply systems of the type described above, peaks and oscillations of the generated parasitic current can lead to accidental operation of various protections, de-saturation or violation of the programmed open / close state of the module drivers, with the subsequent risk of breakdowns, error of auxiliary power supplies, overvoltage, undervoltage, AC errors. etc. Some of these violations are not related to a real accident, but are simply signal interference that is interpreted by control systems as accidents.
В некоторых случаях, однако, эти помехи таковы, что действительно вызывают неисправность или отказ, например, во вспомогательных источниках питания.In some cases, however, this interference is such that it actually causes a malfunction or failure, for example in auxiliary power supplies.
В US 2014/268570A1 раскрыт инвертор, имеющий корпус, узел конденсаторов, узлы рычагов, теплоотводы и опорный узел. Корпуса включает в себя боковые стенки, образующие замкнутое пространство. Узел конденсаторов соединен с корпусом. Каждый узел рычага включает в себя совокупность электрических компонентов и несколько электрических шин. Каждый узел рычага соединен с узлом конденсаторов и электрически связан с ним. Опорный узел имеет непроводящий каркас. Опорный узел сконструирован с возможностью поддерживать каждый теплоотвод отдельно. На каждую электрическую шину и на ограниченное количество электрических компонентов наносится герметик. Таким образом, ограниченное количество электрических компонентов практически изолировано от атмосферы, а компоненты, не покрытые герметиком, могут быть отремонтированы или заменены на месте.US 2014/268570A1 discloses an inverter having a housing, a capacitor assembly, lever assemblies, heat sinks, and a support assembly. The housing includes side walls forming a closed space. The capacitor assembly is connected to the housing. Each lever assembly includes a collection of electrical components and several electrical busbars. Each lever assembly is connected to and electrically connected to the capacitor assembly. The support node has a non-conductive frame. The support assembly is designed to support each heat sink separately. Sealant is applied to every busbar and a limited number of electrical components. In this way, a limited number of electrical components are virtually isolated from the atmosphere, and non-sealed components can be repaired or replaced on site.
В DE 102017206774A1 раскрыто электрическое устройство управления, содержащее ряд охлаждаемых компонентов и теплоотвод, расположенный внутри корпуса, при этом теплоотвод электрически изолирован от опорного потенциала, а охлаждаемые компоненты соединены с теплоотводом с возможностью проведения тепла.DE 102017206774A1 discloses an electrical control device comprising a number of components to be cooled and a heat sink located inside the housing, the heat sink being electrically isolated from the reference potential, and the cooled components being connected to the heat sink in such a way that heat can be conducted.
В JP2016123235A раскрыт преобразователь мощности для уменьшения влияния электромагнитных помех, действующих на схему управления от источника питания постоянного тока, и для предотвращения увеличения размеров инвертора в случае, когда разъем источника питания постоянного тока и схема управления преобразователя мощности и преобразователь мощности расположены подряд в направлении, ортогональном поверхности, на которой размещен преобразователь мощности.JP2016123235A discloses a power converter to reduce the effect of electromagnetic interference on the DC power supply control circuit and to prevent the inverter from being enlarged when the DC power supply connector and the power converter control circuit and the power converter are arranged in a row in a direction orthogonal to surface on which the power converter is placed.
В US6274851 раскрыт контроллер для электродуговой печи, снабженный демпферным средством, содержащим фильтры нижних частот, каждый из которых соединен с выходной фазой, в котором резистивная и емкостная компоненты фиксированы и неизменны.US6274851 discloses a controller for an electric arc furnace provided with damper means comprising low pass filters each connected to an output phase in which the resistive and capacitive components are fixed and unchanged.
Следовательно, существует потребность в создании более совершенного преобразователя, способного устранить хотя бы один из недостатков уровня техники.Therefore, there is a need to create a more advanced converter that can eliminate at least one of the shortcomings of the prior art.
Одной из целей изобретения является создание преобразователя, позволяющего ограничить, если не исключить полностью, паразитные емкости и, следовательно, паразитный ток, который они генерируют на землю.One of the aims of the invention is to provide a converter capable of limiting, if not completely eliminating, parasitic capacitances and hence the parasitic current they generate to earth.
Еще одной целью изобретения является создание эффективного и надежного преобразователя, который можно использовать как отдельно, так и в сочетании с другими преобразователями, чтобы ограничивать образование возможных паразитных токов.Another object of the invention is to provide an efficient and reliable converter that can be used either alone or in combination with other converters in order to limit the generation of possible stray currents.
Еще одной целью изобретения является создание более совершенного блока электропитания нагрузки, применимого, например, для электродуговой печи, простого в изготовлении и позволяющего предотвращать образование нежелательных токов на землю, которые могут вносить возмущения и вызывать срабатывание сигнализации, делая неэффективными управляющие сигналы, уменьшая их величину.Another object of the invention is to provide a more advanced power supply unit for the load, applicable, for example, to an electric arc furnace, easy to manufacture and to prevent the formation of unwanted earth currents that can disturb and trigger an alarm, making control signals ineffective, reducing their magnitude.
Для преодоления недостатков уровня техники и достижения этих и других целей и преимуществ заявитель разработал, испытал и воплотил предлагаемое изобретение.To overcome the shortcomings of the prior art and to achieve these and other objects and advantages, the applicant has developed, tested and implemented the present invention.
Краткое описание предлагаемого изобретения Brief description of the invention
Изобретение изложено и охарактеризовано в независимых пунктах формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения описывают другие его признаки или варианты основной идеи изобретения.The invention is set forth and characterized in independent claims. Dependent claims describe other features or variants of the main idea of the invention.
Согласно вышеуказанным целям предусмотрен преобразователь или инвертор, способный преобразовывать постоянное напряжение и ток в переменные напряжение и ток питания, подаваемые на нагрузку, для использования в нагрузках среднего напряжения, требующих большой мощности.According to the above objects, a converter or inverter capable of converting the DC voltage and current into AC supply voltage and current supplied to the load is provided for use in medium voltage loads requiring high power.
Предлагаемый преобразователь может быть использован в группе преобразователей по существу одного и того же типа в блоках электропитания для подачи напряжения и тока, подходящих для питания нагрузки, требующей большой мощности, такой как, например, электроды электродуговой печи.The proposed converter can be used in a group of converters of essentially the same type in power supply units for supplying voltage and current, suitable for supplying a load requiring high power, such as, for example, electric arc furnace electrodes.
В некоторых вариантах осуществления изобретения преобразователь содержит батарею конденсаторов, подключенных во время работы к схеме электропитания и пригодных для накопления электрической энергии, и совокупность силовых полупроводников, подключенных к этой конденсаторной батарее и выполненных с возможностью выборочно включаться и выключаться для генерирования синусоидальной волны тока на выходе. Преобразователь содержит также теплоотвод, на котором установлены силовые полупроводники и который выполнен с возможностью рассеивать тепло, выделяемое ими при работе.In some embodiments of the invention, the converter comprises a bank of capacitors connected during operation to the power supply circuit and suitable for storing electrical energy, and a set of power semiconductors connected to this capacitor bank and configured to selectively turn on and off to generate a sinusoidal current wave at the output. The converter also includes a heat sink on which the power semiconductors are mounted and which is configured to dissipate the heat generated by them during operation.
Преобразователь имеет корпус, т. е. металлическую оболочку, которая заключает в себе конденсаторную батарею, теплоотвод и силовые полупроводники.The converter has a housing, i.e. a metal shell that contains a capacitor bank, a heat sink and power semiconductors.
Корпус снабжен входными и выходными разъемами, которые во время работы подключаются к цепи электропитания или к сети, а также к питаемой нагрузке.The housing is equipped with input and output connectors that are connected to the power supply circuit or to the network during operation, as well as to the powered load.
В некоторых вариантах корпус преобразователя из соображений безопасности заземлен.In some embodiments, the transmitter housing is grounded for safety reasons.
В одном аспекте изобретения теплоотвод и/или конденсаторная батарея имеют по отношению к корпусу преобразователя плавающий электрический потенциал, то есть у них не тот же опорный потенциал, что у корпуса преобразователя.In one aspect of the invention, the heat sink and/or capacitor bank have a floating electrical potential with respect to the converter case, i.e. they do not have the same reference potential as the converter case.
В некоторых вариантах «плавающими» относительно корпуса являются и теплоотвод, и конденсаторная батарея.In some embodiments, both the heat sink and the capacitor bank are "floating" relative to the case.
В некоторых вариантах теплоотвод и/или конденсаторная батарея электрически изолированы от корпуса и, следовательно, соединенного с последним заземлителя с предотвращением таким образом прохождения постоянных токов между этими двумя компонентами.In some embodiments, the heat sink and/or the capacitor bank are electrically isolated from the housing and hence the earth electrode connected to the latter, thus preventing the passage of direct currents between the two components.
В других вариантах теплоотвод и/или конденсаторная батарея соединены с корпусом с помощью компонентов или цепей с высоким импедансом, что значительно ограничивает генерирование паразитного тока на землю.In other embodiments, the heat sink and/or capacitor bank are coupled to the package using high impedance components or circuits, which greatly limits the generation of stray current to ground.
В некоторых вариантах преобразователь содержит по меньшей мере первый высокоимпедансный компонент, подключенный между теплоотводом и заземлителем корпуса преобразователя.In some embodiments, the converter includes at least a first high impedance component connected between the heatsink and the converter case ground.
При таком решении теплоотвод по существу изолирован от корпуса преобразователя и, следовательно, от заземлителя, что значительно ограничивает образование паразитного тока на землю хотя бы в отношении пикового значения.With this solution, the heat sink is essentially isolated from the converter housing and therefore from the earth conductor, which significantly limits the formation of stray current to earth, at least in relation to the peak value.
В некоторых вариантах преобразователь снабжен совокупностью вторых высокоимпедансных компонентов, каждый из которых подключен между вмещающим корпусом конденсатора и заземлителем корпуса преобразователя.In some embodiments, the converter is provided with a plurality of second high impedance components, each of which is connected between the containing capacitor case and the converter case ground.
При таком решении, поскольку конденсаторы в основном изолированы и отделены от корпуса преобразователя, возможные паразитные токи, генерируемые на землю, имеют пренебрежимо малое пиковое значение.With this solution, since the capacitors are mostly isolated and separated from the converter case, the possible stray currents generated to ground have a negligible peak value.
Обеспечивая изоляцию как теплоотвода, так и конденсаторов от корпуса преобразователя, благодаря наличию первого и второго высокоимпедансных компонентов можно существенно исключить паразитные емкости, и, следовательно, значительно уменьшить пик тока на землю.By isolating both the heatsink and the capacitors from the converter case, the presence of the first and second high-impedance components can greatly eliminate parasitic capacitance, and therefore greatly reduce peak current to ground.
Это преимущество особенно очевидно при использовании группы соединенных друг с другом преобразователей.This advantage is especially evident when using a group of connected converters.
В других вариантах преобразователь содержит по меньшей мере один электрический фильтр нижних частот, подключенный между выходным соединителем, подходящим для подключения к питаемой нагрузке, и заземлителем, и предназначенный для устранения возможного генерирования тока на землю за счет распределенных паразитных индуктивностей и емкостей, имеющих частоты выше рабочей частоты.In other embodiments, the converter comprises at least one electrical low-pass filter connected between an output connector suitable for connection to the supplied load and an earth electrode, and is designed to eliminate the possible generation of current to earth due to distributed parasitic inductances and capacitances having frequencies higher than the working frequencies.
В некоторых вариантах электрический фильтр нижних частот представляет собой электрический фильтр RC, содержащий резистивную и емкостную компоненты, расположенные последовательно и подключенные между выходным соединением и заземлителем.In some embodiments, the electrical low pass filter is an RC electrical filter containing resistive and capacitive components in series and connected between the output connection and the ground.
В некоторых вариантах резистивная и емкостная компоненты рассчитаны в зависимости от применения преобразователя и характеристик питаемой нагрузки. Эти компоненты также могут быть изменены, чтобы адаптироваться к изменениям в общей электрической системе.In some embodiments, the resistive and capacitive components are sized based on the application of the converter and the characteristics of the load being fed. These components can also be modified to accommodate changes in the overall electrical system.
В некоторых вариантах резистивную и емкостную компоненты можно регулировать для изменения соответствующих значений сопротивления и емкости, чтобы увеличивать или уменьшать силу тока, протекающего через них.In some embodiments, the resistive and capacitive components can be adjusted to change their respective resistance and capacitance values to increase or decrease the amount of current flowing through them.
В некоторых вариантах фильтр RC содержит рассеивающие средства, обеспечивающие снижение температуры резистивных и/или емкостных компонент.In some embodiments, the RC filter contains dissipative means to reduce the temperature of the resistive and/or capacitive components.
В некоторых вариантах фильтр RC содержит также средство измерения температуры, например, связанное с одной или несколькими резистивными или емкостными компонентами.In some embodiments, the RC filter also includes a temperature measuring means, for example, associated with one or more resistive or capacitive components.
Некоторые описываемые здесь варианты относятся также к блоку электропитания нагрузки большой мощности, в частности, омическо-индуктивного типа.Some of the options described here also apply to a high power load power supply, in particular of the ohmic-inductive type.
В состав блока электропитания входятThe power supply includes
- трансформатор, подключенный к электросети, являющейся источником переменного сетевого напряжения и переменного сетевого тока, при этом трансформатор выполнен с возможностью преобразовывать переменное сетевое напряжение и переменный сетевой ток в переменное базовое напряжение и переменный базовый ток,- a transformer connected to the mains, which is a source of alternating mains voltage and alternating mains current, while the transformer is configured to convert alternating mains voltage and alternating mains current into alternating base voltage and alternating base current,
- совокупность выпрямителей, подключенных к трансформатору и выполненных с возможностью преобразовывать переменное базовое напряжение и переменный базовый ток в постоянные напряжение и ток,- a set of rectifiers connected to the transformer and configured to convert the alternating base voltage and alternating base current into direct voltage and current,
- совокупность преобразователей, описанных ранее, подключенных с одной стороны к выпрямителям, а с другой к нагрузке и выполненных с возможностью преобразовывать постоянные напряжение и ток в переменные напряжение и ток питания, подаваемые на нагрузку,- a set of converters described earlier, connected on the one hand to the rectifiers, and on the other hand to the load and made with the ability to convert direct voltage and current into alternating voltage and current supply supplied to the load,
- блок управления, выполненный с возможностью управлять работой преобразователей и регулировать напряжение и ток питания во времени.- a control unit configured to control the operation of the converters and regulate the supply voltage and current in time.
В некоторых вариантах предлагаемый блок электропитания нагрузки содержит электрический фильтр нижних частот, подключенный после преобразователей и выполненный с возможностью ослаблять или, возможно, устранять токи, направленные на землю.In some embodiments, the proposed load power supply includes an electrical low-pass filter connected after the converters and configured to attenuate or possibly eliminate currents directed to earth.
В некоторых вариантах электрический фильтр нижних частот содержит электрический фильтр RC, подключенный между выходом преобразователей и заземлителем.In some embodiments, the electrical low pass filter comprises an RC electrical filter connected between the output of the transducers and the ground.
В некоторых вариантах наличие соединенного с землей фильтра RC позволяет ослабить возможные осцилляции из-за паразитных емкостей, создаваемых другими компонентами блока электропитания, которые могут быть соединены с землей, такими как трансформаторы, кабели, трубы и т. д.In some embodiments, the presence of an RC filter connected to ground helps to attenuate possible oscillations due to parasitic capacitances created by other components of the power supply that may be connected to ground, such as transformers, cables, pipes, etc.
В некоторых вариантах имеется один фильтр RC трехфазного типа, подключенный к трем выходным фазам блока электропитания.In some embodiments, there is one 3-phase type RC filter connected to three output phases of the power supply.
В некоторых вариантах, в случае если блок электропитания используется для электродуговой печи, фильтр RC подключен к трем фазам, которые подключены к электродам печи.In some embodiments, if the power supply is used for an electric arc furnace, the RC filter is connected to three phases that are connected to the furnace electrodes.
Краткое описание прилагаемых графических материаловBrief Description of Attached Graphics
Эти и другие аспекты, признаки и преимущества изобретения станут ясны из следующего описания некоторых вариантов, не ограничивающих объем изобретения, со ссылками на прилагаемые графические материалы (чертежи).These and other aspects, features and advantages of the invention will become clear from the following description of some options, without limiting the scope of the invention, with reference to the attached drawings (drawings).
На фиг. 1 изображена схема преобразователя согласно некоторым описываемым здесь вариантам осуществления.In FIG. 1 is a diagram of a converter according to some of the embodiments described herein.
На фиг. 1а изображена схема компонента преобразователя, изображенного на фиг. 1, согласно первому варианту осуществления.In FIG. 1a is a diagram of a component of the transducer shown in FIG. 1 according to the first embodiment.
На фиг. 1b изображена схема компонента преобразователя, изображенного на фиг. 1, согласно одному из вариантов осуществления.In FIG. 1b is a diagram of a component of the converter shown in FIG. 1 according to one embodiment.
На фиг. 1с изображена схема другого компонента преобразователя, изображенного на фиг. 1, согласно первому варианту осуществления.In FIG. 1c is a diagram of another component of the converter shown in FIG. 1 according to the first embodiment.
На фиг. 1d изображена схема другого компонента преобразователя, изображенного на фиг. 1, согласно одному из вариантов осуществления.In FIG. 1d is a diagram of another component of the converter shown in FIG. 1 according to one embodiment.
На фиг. 2 изображена схема устройства для электропитания нагрузки высокой мощности в применении к электродуговой печи.In FIG. 2 is a diagram of a device for powering a high power load in an electric arc furnace application.
Для облегчения понимания для обозначения идентичных общих элементов на чертежах, где это возможно, использованы одни и те же ссылочные обозначения. Понятно, что элементы и признаки одного варианта могут быть легко включены в другие варианты без дополнительных пояснений.For ease of understanding, the same reference numerals have been used to refer to identical common elements throughout the drawings, where possible. It is clear that the elements and features of one option can be easily included in other options without further explanation.
Подробное описание предлагаемого изобретенияDetailed description of the invention
Далее подробно описываются возможные варианты осуществления изобретения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Каждый пример является только иллюстративным и не ограничивает объем изобретения. Один или более признаков, показанных или описанных в той мере, в какой они являются частью одного варианта, могут быть изменены или адаптированы к другим вариантам или в связи с ними для создания еще одного варианта. Понятно, что изобретение включает все такие модификации и варианты.The following describes in detail possible embodiments of the invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. Each example is illustrative only and does not limit the scope of the invention. One or more of the features shown or described insofar as they are part of one embodiment may be modified or adapted to or in connection with other embodiments to create yet another embodiment. It is understood that the invention includes all such modifications and variations.
Варианты, описываемые здесь со ссылками на фиг. 1, относятся к преобразователю 10, пригодному для преобразования постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток.The embodiments described here with reference to FIGS. 1 relate to a converter 10 suitable for converting direct voltage and current into alternating voltage and current.
Преобразователь 10 можно использовать для нагрузок среднего напряжения, требующих большой мощности.Converter 10 can be used for medium voltage loads requiring high power.
Преобразователь 10 может использоваться как отдельно, так и в группе с другими преобразователями 10.Converter 10 can be used both separately and in a group with other converters 10.
Некоторые описываемые здесь варианты относятся также к блоку электропитания 20 (см. фиг. 2), выполненому с возможностью подавать переменные ток и напряжение, подходящие для питания нагрузки 21, в частности резистивно-индуктивного типа, которая требует большой мощности.Some of the embodiments described here also relate to a power supply 20 (see FIG. 2) configured to supply alternating current and voltage suitable for supplying a load 21, in particular an RC type that requires a lot of power.
На фиг. 2 в качестве примера проиллюстрировано применение блока электропитания 20 к нагрузке, соответствующей электродуговой печи 21, но этот блок электропитания 20 можно использовать также для питания нагрузок различных типов, например, ковш-печи или печи с закрытой дугой.In FIG. 2 illustrates by way of example the application of a power supply 20 to a load corresponding to an electric arc furnace 21, but this power supply 20 can also be used to power various types of loads, such as a ladle furnace or a closed arc furnace.
В некоторых вариантах преобразователь 10 содержит конденсаторную батарею 11, которая включает в себя совокупность конденсаторов 12, соединенных последовательно и/или параллельно и выполненных с возможностью накопления электрической энергии.In some embodiments, converter 10 includes a capacitor bank 11 that includes a plurality of capacitors 12 connected in series and/or in parallel and configured to store electrical energy.
Преобразователь 10 содержит также силовые полупроводники 13, подключенные к конденсаторной батарее 11 и выполненные с возможностью выборочного включения и выключения, чтобы обеспечить генерирование волны синусоидального тока на выходе.Converter 10 also includes power semiconductors 13 connected to capacitor bank 11 and configured to selectively turn on and off to generate a sinusoidal current wave at the output.
Преобразователь 10 содержит также рассеивающее устройство 14, на котором установлены силовые полупроводники 13 и которое выполнено с возможностью рассеивать тепло, выделяемое ими в процессе работы.Converter 10 also includes a dissipating device 14 on which power semiconductors 13 are mounted and which is configured to dissipate the heat generated by them during operation.
В некоторых вариантах теплоотвод 14 выполнен с водяным охлаждением, хотя для других применений более пригоден может быть теплоотвод 14 с принудительным воздушным охлаждением.In some embodiments, heat sink 14 is water-cooled, although for other applications, forced air-cooled heat sink 14 may be more suitable.
Возможно решение, когда силовые полупроводники 13 представляют собой устройства, выбранные из следующей группы: кремниевый выпрямитель, запираемый тиристор, интегрированный затвор-коммутируемый тиристор, тиристор с управлением металл-оксид-полупроводник, биполярный плоскостной транзистор, полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник, биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).A solution is possible when the power semiconductors 13 are devices selected from the following group: silicon rectifier, gate-off thyristor, integrated gate-switched thyristor, metal-oxide-semiconductor controlled thyristor, bipolar junction transistor, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor , insulated gate bipolar transistor (IGBT).
Преобразователь 10 имеет также корпус 15, то есть металлическую оболочку, внутри которой заключены конденсаторная батарея 11, теплоотвод 14 и силовые полупроводники 13.Converter 10 also has a housing 15, i.e. a metal shell, inside of which a capacitor bank 11, a heat sink 14 and power semiconductors 13 are enclosed.
Корпус 15 снабжен входными соединителями 15а и выходными соединителями 15b, подключаемыми, соответственно, к входной цепи, например, к сети электроснабжения, и к выходной цепи, например, к нагрузке L или пользовательскому устройству 21 для подачи питания.The housing 15 is provided with input connectors 15a and output connectors 15b connected respectively to an input circuit, such as a power supply network, and an output circuit, such as a load L or a user device 21 for power supply.
В некоторых вариантах по соображениям безопасности корпус 15 во время работы может быть соединен с заземлителем G. Заземлитель, в зависимости от требований, может быть настоящим защитным заземлителем или функциональным заземлителем. Под функциональным заземлителем понимается заземлитель, который гарантирует функционирование электронных устройств и размер которого зависит от защищаемых устройств, но который не гарантирует безопасности оператору, как предусмотрено правилами.In some embodiments, for safety reasons, the housing 15 may be connected to the earthing conductor G during operation. The earthing conductor, depending on the requirements, may be a real protective earthing conductor or a functional earthing conductor. A functional earthing conductor is understood to mean an earthing conductor which guarantees the functioning of electronic devices and whose size depends on the devices to be protected, but which does not guarantee the safety of the operator, as provided by the regulations.
В одном аспекте изобретения теплоотвод 14 и/или конденсаторная батарея 11 имеет плавающий потенциал по отношению к корпусу 15 и, следовательно, к соединенному с ним заземлителю G.In one aspect of the invention, the heat sink 14 and/or the capacitor bank 11 has a floating potential with respect to the housing 15 and therefore to the grounding conductor G connected thereto.
В других вариантах «плавающими» относительно корпуса 15 и, следовательно, заземлителя G являются и теплоотвод 14, и конденсаторная батарея 11.In other versions, both the heat sink 14 and the capacitor bank 11 are "floating" relative to the housing 15 and, consequently, the ground electrode G.
Признаки «плавающий» и «плавающий потенциал» означают, что теплоотвод 14 и/или батарея 11 конденсаторов 12 по меньшей мере частично изолированы от корпуса 15, то есть они электрически изолированы от корпуса 15 и, следовательно, от соединенной с ним заземлителя G, или же они соединены с корпусом 15 посредством компонентов или цепей с высоким импедансом, что предотвращает или хотя бы значительно ограничивает генерирование паразитного тока на заземлитель G.The features "floating" and "floating potential" mean that the heat sink 14 and/or the battery 11 of the capacitors 12 are at least partially isolated from the housing 15, that is, they are electrically isolated from the housing 15 and, therefore, from the earthing conductor G connected to it, or they are also connected to the housing 15 by means of high-impedance components or circuits, which prevent or at least significantly limit the generation of stray current to earth G.
В некоторых вариантах теплоотвод 14 и/или батарея 11 конденсаторов 12 электрически изолированы от корпуса 15, то есть между ними и корпусом 15 не протекает постоянный ток (см. фиг. 1а и фиг. 1с).In some embodiments, heat sink 14 and/or capacitor bank 11 12 are electrically isolated from case 15, ie no direct current flows between them and case 15 (see FIG. 1a and FIG. 1c).
Возможны варианты, когда теплоотвод 14 и/или конденсаторная батарея 12 соединены с корпусом 15 посредством высокоимпедансного компонента (см. фиг. 1b и фиг. 1d).Variants are possible when the heat sink 14 and/or the capacitor bank 12 are connected to the housing 15 via a high impedance component (see Fig. 1b and Fig. 1d).
В некоторых вариантах преобразователь 10 содержит по меньшей мере первый высокоимпедансный компонент 16, подключенный между теплоотводом 14 и заземлителем G, с которым соединен корпус 15 (см. фиг. 1d).In some embodiments, converter 10 includes at least a first high-impedance component 16 connected between heat sink 14 and ground G to which housing 15 is connected (see FIG. 1d).
В некоторых вариантах первый высокоимпедансный компонент 16 имеет импеданс в пределах от 500 Ом до 1500 Ом.In some embodiments, the first high impedance component 16 has an impedance in the range of 500 ohms to 1500 ohms.
В других вариантах первый высокоимпедансный компонент 16 имеет импеданс в пределах от 800 Ом до 1200 Ом.In other embodiments, the first high impedance component 16 has an impedance in the range of 800 ohms to 1200 ohms.
В некоторых вариантах используют конденсаторы 12 пленочного типа, помещенные в корпус 17, изготовленный из металлического материала, например из алюминия.In some embodiments, film-type capacitors 12 are used, placed in a housing 17 made of a metallic material, such as aluminum.
В некоторых вариантах преобразователь 10 содержит совокупность вторых высокоимпедансных компонентов 18, каждый из которых подключен между вмещающим корпусом 17 конденсатора 12 и заземлителем G, с которым соединен корпус 15 (см. фиг. 1b).In some embodiments, converter 10 includes a plurality of second high-impedance components 18, each of which is connected between the containing housing 17 of the capacitor 12 and the ground G to which the housing 15 is connected (see Fig. 1b).
При таком решении конденсаторы 12 по существу изолированы от корпуса 15 преобразователя 10, и, следовательно, генерируемые возможные нежелательные токи на заземлитель G имеют пренебрежимо малое пиковое значение.With this solution, the capacitors 12 are essentially isolated from the case 15 of the converter 10, and therefore the possible unwanted currents generated on the earth electrode G have a negligible peak value.
В некоторых вариантах каждый из вторых высокоимпедансных компонентов 18 имеет импеданс в пределах от 500 Ом до 1500 Ом.In some embodiments, each of the second high impedance components 18 has an impedance in the range of 500 ohms to 1500 ohms.
В других вариантах каждый из вторых высокоимпедансных компонентов 18 имеет импеданс в пределах от 800 Ом до 1200 Ом.In other embodiments, each of the second high impedance components 18 has an impedance in the range of 800 ohms to 1200 ohms.
В некоторых вариантах как теплоотвод 14, так и конденсаторы 12 соединены с корпусом 15 и, следовательно, с заземлителем G посредством соответствующих высокоимпедансных компонентов 16, 18.In some embodiments, both the heat sink 14 and the capacitors 12 are connected to the case 15 and hence to the ground G via respective high impedance components 16, 18.
В других вариантах преобразователь 10 содержит по меньшей мере один электрический фильтр 19, подключенный между выходным соединением преобразователя 10, подсоединяемым во время работы к питаемой нагрузке L, и заземлителем G.In other embodiments, the converter 10 includes at least one electrical filter 19 connected between the output connection of the converter 10, which is connected during operation to the supplied load L, and the earth electrode G.
Электрический фильтр 19 представляет собой RC-фильтр, имеющий резистивную компоненту R и емкостную компоненту C, соединенные последовательно, и выполнен с возможностью действовать как фильтр нижних частот, устраняя возможные колебания тока из-за распределенных паразитных индуктивностей и емкостей.The electrical filter 19 is an RC filter having a resistive R component and a capacitive C component connected in series and configured to act as a low pass filter to eliminate possible current fluctuations due to distributed parasitic inductances and capacitances.
Как можно видеть на фиг. 2, электрическая печь 21 содержит емкость 22 или оболочку, в которую вводят металлический материал М для последующего плавления.As can be seen in FIG. 2, the electric furnace 21 includes a container 22 or shell into which the metal material M is introduced for subsequent melting.
Электрическая печь 21 снабжена также электродами 23, в данном случае тремя электродами 23, предназначенными для зажигания электрической дуги через металлический материал М и его плавления.The electric furnace 21 is also provided with electrodes 23, in this case three electrodes 23, for striking an electric arc through the metallic material M and melting it.
В некоторых вариантах электроды 23 установлены на средствах перемещения 24, выполненных с возможностью выборочного перемещения электродов 23 к металлическому материалу М и от него.In some embodiments, the electrodes 23 are mounted on movement means 24 configured to selectively move the electrodes 23 towards and away from the metallic material M.
Средства перемещения 24 могут быть реализованы как что-то по меньшей мере одно из следующей группы: механический привод, электрический привод, пневматический привод, гидравлический привод, шарнирный механизм, кинематический механизм, аналогичные и сравнимые элементы или их возможную комбинацию.The means of movement 24 may be implemented as at least one of the following group: a mechanical actuator, an electrical actuator, a pneumatic actuator, a hydraulic actuator, a hinge mechanism, a kinematic mechanism, similar and comparable elements, or a possible combination of these.
Возможно решение, когда в случае наличия трех электродов 23, каждый из них подключен к соответствующей фазе L1, L2, L3 блока электропитания 20.A solution is possible when, in the case of three electrodes 23, each of them is connected to the corresponding phase L1, L2, L3 of the power supply unit 20.
В некоторых вариантах блок электропитания 20 содержит по меньшей мере один трансформатор 25, подключенный к электросети 26, для подачи переменных напряжения и тока сети, при этом трансформатор 25 выполнен с возможностью преобразования переменных напряжения и тока питания в базовые переменные напряжение и ток.In some embodiments, the power supply 20 includes at least one transformer 25 connected to the mains 26, for supplying AC voltage and current of the network, while the transformer 25 is configured to convert the AC supply voltage and current into basic AC voltage and current.
Возможно решение, когда электросеть 26 является трехфазной.A solution is possible when the electrical network 26 is three-phase.
В некоторых вариантах сетевое напряжение Ur и сетевой ток Ir имеют заданную сетевую частоту fr.In some embodiments, the mains voltage Ur and the mains current Ir have a predetermined mains frequency fr.
Возможны решения, когда величина сетевой частоты fr выбирается между 50 Гц и 60 Гц, то есть, исходя из частоты электросети страны, где установлена печь.Solutions are possible when the mains frequency fr is selected between 50 Hz and 60 Hz, i.e. based on the mains frequency of the country where the stove is installed.
Возможны решения, когда трансформатор 25 содержит первичную обмотку 27, магнитно связанную по меньшей мере с одной его вторичной обмоткой 28.Solutions are possible when the transformer 25 includes a primary winding 27 magnetically coupled to at least one of its secondary windings 28.
Возможно решение, когда трансформатор 25 имеет совокупность вторичных обмоток 28, магнитно связанных с первичной обмоткой 27. Это позволяет уменьшить влияние помех со стороны сети, то есть уменьшить содержание гармоник и реактивную мощность, циркулирующую в сети из-за комбинации трансформатора 25 и выпрямителя 29.A solution is possible when the transformer 25 has a plurality of secondary windings 28 magnetically connected to the primary winding 27. This reduces the influence of interference from the network, that is, to reduce the harmonic content and reactive power circulating in the network due to the combination of transformer 25 and rectifier 29.
Предпочтительно, предусматривают три фазы, подключенные к вторичным обмоткам 28 трансформатора, но количество фаз также может быть меньше или больше. В некоторых вариантах количество фаз может варьироваться от одной до n, где n - это, например, целое число до двадцати или даже больше двадцати.Preferably, there are three phases connected to the secondary windings 28 of the transformer, but the number of phases can also be less or more. In some embodiments, the number of phases may vary from one to n , where n is, for example, an integer up to twenty or even more than twenty.
Базовая электрическая энергия, подаваемая трансформатором 25, характеризуется базовым напряжением Ub, базовым током Ib и базовой частотой fb, которые предварительно определяются и устанавливаются параметрами трансформатора 25. В частности, базовая частота fb по существу равна частоте fr сети.The basic electrical energy supplied by the transformer 25 is characterized by the basic voltage Ub, the basic current Ib and the basic frequency fb, which are predetermined and set by the parameters of the transformer 25. In particular, the basic frequency fb is substantially equal to the mains frequency fr.
С другой стороны, базовое напряжение Ub и базовый ток Ib соотносятся соответственно с сетевым напряжением Ur и сетевым током Ir через коэффициент трансформации трансформатора 25.On the other hand, the base voltage Ub and the base current Ib are respectively related to the mains voltage Ur and mains current Ir via a transformer ratio of 25.
Например, многовыводный трансформатор 25 может быть снабжен регулирующими устройствами (не показаны), предназначенными для избирательного регулирования коэффициента трансформации трансформатора 25 в соответствии с конкретными требованиями.For example, multi-terminal transformer 25 may be provided with control devices (not shown) for selectively adjusting the turn ratio of transformer 25 according to specific requirements.
Блок электропитания 20 содержит также выпрямители 29, соединенные с трансформатором 25 и выполненные с возможностью преобразовывать переменные базовые напряжение и ток в постоянные напряжение и ток.Power supply unit 20 also includes rectifiers 29 connected to transformer 25 and configured to convert AC base voltage and current into DC voltage and current.
В частности, выпрямители 29 выпрямляют переменные базовые напряжение Ub и ток Ib с получением, соответственно, постоянных напряжений и токов.In particular, the rectifiers 29 rectify the alternating base voltage Ub and the current Ib to obtain, respectively, constant voltages and currents.
Выпрямители 29 могут быть выбраны из следующей группы: диодный мост, тиристорный мост.Rectifiers 29 can be selected from the following group: diode bridge, thyristor bridge.
Возможно решение, когда выпрямители 29 представляют собой устройства, например, выбранные из следующей группы: диоды, кремниевый выпрямитель, запираемый тиристор, интегрированный затвор-коммутируемый тиристор, тиристор с управлением металл-оксид-полупроводник, биполярный плоскостной транзистор, полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник, биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).A solution is possible when the rectifiers 29 are devices, for example, selected from the following group: diodes, silicon rectifier, turn-off thyristor, integrated gate-switched thyristor, metal-oxide-semiconductor thyristor, bipolar junction transistor, metal- oxide semiconductor, insulated gate bipolar transistor (IGBT).
В другом аспекте изобретения блок электропитания 20 содержит преобразователи 10, подключенные к выпрямителям 29 и выполненные с возможностью преобразовывать постоянные напряжение и ток в переменные напряжение и ток для питания электродов 23.In another aspect of the invention, power supply unit 20 includes converters 10 connected to rectifiers 29 and configured to convert direct voltage and current into alternating voltage and current to power electrodes 23.
Преобразователи могут быть реализованы как предлагаемые преобразователи 10, в которых конденсаторы 12 и/или теплоотвод 14 «плавают» относительно заземлителя G корпуса 15 соответствующего преобразователя 10.The converters can be implemented as the proposed converters 10, in which the capacitors 12 and/or the heat sink 14 "float" relative to the ground electrode G of the housing 15 of the corresponding converter 10.
Преобразователи 10 подключены к электродам 23 плавильной печи 21 и к блоку управления 31, выполненному с возможностью управлять работой преобразователей 10 и регулировать во времени подачу питания переменным током на электроды 23.The transducers 10 are connected to the electrodes 23 of the melting furnace 21 and to the control unit 31, which is configured to control the operation of the transducers 10 and regulate the supply of AC power to the electrodes 23 in time.
В некоторых вариантах блок электропитания 20 содержит электрический фильтр 30, подключенный между выходом преобразователей 10 и питаемой нагрузкой, в рассматриваемом примере это электроды 23 печи 21, и выполненный с возможностью работать в качестве фильтра нижних частот и фильтровать и гасить или устранять возможные колебания тока утечки при переключении полупроводников 13, генерируемые компонентами паразитной емкости и индуктивности преобразователей 10 или, возможно, других компонентов блока электропитания 20.In some embodiments, the power supply unit 20 includes an electrical filter 30 connected between the output of the transducers 10 and the supplied load, in this example, these are the electrodes 23 of the furnace 21, and is configured to operate as a low-pass filter and filter and dampen or eliminate possible leakage current fluctuations during switching semiconductors 13 generated by the parasitic capacitance and inductance components of the converters 10 or possibly other components of the power supply 20.
В некоторых вариантах электрический фильтр 30 представляет собой резистивно-емкостной фильтр, подключенный в соответствии с выходом преобразователей 10.In some embodiments, the electrical filter 30 is an RC filter connected in accordance with the output of the transducers 10.
В некоторых вариантах электрический фильтр 30 можно использовать в качестве альтернативы возможным электрическим фильтрам 19 отдельных преобразователей 10.In some embodiments, the electrical filter 30 may be used as an alternative to the possible electrical filters 19 of the individual transducers 10.
Возможны также решения, в которых предусмотрен электрический фильтр 30, используемый в дополнение к возможным электрическим фильтрам 19, связанным с соответствующими преобразователями 10. В некоторых вариантах электрический фильтр 30 является трехфазным и устанавливается в выходные фазы L1, L2, L3, которые соединены с нагрузкой, то есть с электродами 23.Solutions are also possible in which an electrical filter 30 is used in addition to the possible electrical filters 19 associated with the respective converters 10. In some embodiments, the electrical filter 30 is three-phase and is installed in the output phases L1, L2, L3, which are connected to the load, i.e. with electrodes 23.
Комбинация электрического фильтра 30, подключенного на выходе преобразователей 10, и высокоимпедансных компонентов 16, 18, установленных внутри самих преобразователей 10, позволяет как устранить колебания тока, так и ограничить, если не устранить, сам пик тока на землю.The combination of an electrical filter 30 connected at the output of the converters 10 and high impedance components 16, 18 installed inside the converters 10 themselves both eliminates current fluctuations and limits, if not eliminates, the current peak to ground.
Такое решение позволяет использовать большое число преобразователей (больше 60), без риска выхода из строя устройств управления из-за высоких пиков тока, генерируемых паразитными токами, что делает блок электропитания 20 эффективным и надежным.This solution allows the use of a large number of converters (more than 60), without the risk of failure of the control devices due to high current peaks generated by parasitic currents, which makes the power supply 20 efficient and reliable.
В некоторых вариантах резистивная составляющая R и/или емкостная составляющая C электрических фильтров 19, 30 рассчитаны в зависимости от применения преобразователя 10 и характеристик питаемой нагрузки.In some embodiments, the resistive component R and/or the capacitive component C of the electrical filters 19, 30 are calculated depending on the application of the converter 10 and the characteristics of the supplied load.
В некоторых вариантах резистивная составляющая R и емкостная составляющая С регулируются с помощью блока управления 31 для изменения соответствующих значений сопротивления и емкости таким образом, чтобы увеличивать или уменьшать силу тока, который через них течет.In some embodiments, the resistive component R and the capacitive component C are adjusted by the control unit 31 to change the respective resistance and capacitance values in such a way as to increase or decrease the current flowing through them.
В некоторых вариантах электрический фильтр 19, 30 содержит рассеивающее средство 36, предназначенное для снижения температуры компонентов RC-фильтра. Например, рассеивающее средство 36 может содержать вентиляторы или другие средства для перемещения воздуха, рассеивающие ребра и т. п.In some embodiments, the electrical filter 19, 30 includes a diffuser 36 for reducing the temperature of the RC filter components. For example, the diffuser 36 may include fans or other means for moving air, diffuser fins, and the like.
В некоторых вариантах электрический фильтр 19, 30 содержит также средства измерения температуры, например датчики 37, связанные с одним или несколькими резистивными R и/или емкостными C компонентами.In some embodiments, the electrical filter 19, 30 also includes temperature measuring means, such as sensors 37, associated with one or more resistive R and/or capacitive C components.
Например, датчики 37 температуры могут содержать термопары, связанные с одним или несколькими резистивными компонентами R или емкостными компонентами C.For example, temperature sensors 37 may include thermocouples associated with one or more resistive R components or capacitive C components.
В некоторых вариантах блок управления 31 получает от датчиков 37 измеренные данные и, возможно, управляет включением и выключением вентиляционных устройств 36 в зависимости от полученных данных для поддержания тепловых условий, подходящих для обеспечения эффективного функционирования электрического фильтра 19, 30.In some embodiments, the control unit 31 receives measured data from the sensors 37 and possibly controls the on and off ventilation devices 36 depending on the received data to maintain thermal conditions suitable for ensuring the efficient operation of the electric filter 19, 30.
В некоторых вариантах блок управления 31 управляет также преобразователями 10, чтобы выборочно устанавливать параметры переменных напряжения и тока питания, как указано выше.In some embodiments, the control unit 31 also controls the converters 10 to selectively set the parameters of the variable voltage and current supply, as described above.
В одном аспекте изобретения блок управления 31 снабжен устройствами регулирования 32, выполненными с возможностью регулировать частоту fa переменных напряжения и тока питания и одновременно изменять реактивное сопротивление цепи питания электродов.In one aspect of the invention, the control unit 31 is provided with control devices 32 capable of adjusting the frequency fa of the alternating voltage and current of the supply and at the same time changing the reactance of the electrode supply circuit.
В частности, подаваемые напряжение и ток имеют напряжение Ua питания и ток Ia питания, которые выборочно регулируются в зависимости от задействованной мощности плавления.In particular, the supplied voltage and current have a supply voltage Ua and a supply current Ia, which are selectively controlled depending on the melting power involved.
Возможны решения, когда регулирующие устройства 32 содержат, например, гистерезисный модулятор или широтно-импульсныйй модулятор.Solutions are possible where the controllers 32 comprise, for example, a hysteresis modulator or a pulse width modulator.
Эти типы модуляторов можно использовать для управления полупроводниками выпрямителей 29 и преобразователей 10. Эти модуляторы, управляемые соответствующим образом, генерируют напряжение или ток определенных величин, приложенные к электродам 23. В частности, модулятор обрабатывает такое напряжение и ток и выдает команды для управления по крайней мере выпрямителями 29 и преобразователями 10, так что значения напряжения и тока, необходимые для управления, присутствуют на клеммах для подключения к электродам 23. Напряжения и токи, которые должны быть активированы, являются результатом операций, выполняемых блоком управления 31 на основе величин, считываемых процессом, и на основе модели процесса.These types of modulators can be used to control the semiconductors of the rectifiers 29 and converters 10. These modulators, appropriately controlled, generate a voltage or current of certain magnitudes applied to the electrodes 23. In particular, the modulator processes such voltage and current and issues commands to control at least rectifiers 29 and converters 10 so that the voltages and currents required for control are present at the terminals for connection to the electrodes 23. The voltages and currents to be activated are the result of operations carried out by the control unit 31 based on the values read by the process, and based on the process model.
Возможны решения, когда выпрямители 29 подключены к преобразователям 10 посредством по меньшей мере одной промежуточной цепи 33, работающей на постоянном токе.Solutions are possible when the rectifiers 29 are connected to the converters 10 via at least one intermediate circuit 33 operating at direct current.
Промежуточная цепь 33 выполнена с возможностью хранить непосредственно электрическую энергию и создавать разделение между нагрузкой, в данном случае электродами 23, и выпрямителями 29 и, значит, с электросетью 26.The intermediate circuit 33 is configured to store electrical energy directly and create a separation between the load, in this case the electrodes 23, and the rectifiers 29 and thus the power grid 26.
С помощью промежуточной цепи 33 частично фильтруются, в частности, быстрые колебания мощности, возникающие в процессе, в результате чего уменьшается влияние на электросеть 26.The intermediate circuit 33 partially filters, in particular, the rapid power fluctuations that occur in the process, thereby reducing the effect on the electrical network 26.
Блок управления 31 может быть выполнен также с возможностью регулировать величину напряжения питания Ua и тока питания Ia, генерируемых преобразователями 10 и подаваемых на электроды 23.The control unit 31 can also be configured to regulate the magnitude of the supply voltage Ua and the supply current Ia generated by the transducers 10 and supplied to the electrodes 23.
В некоторых вариантах блок управления 31 также, в свою очередь, соединен со средством перемещения 24, чтобы обеспечить возможность регулировать положение электродов 23 на разных стадиях процесса плавления. В частности, электроды 23 перемещаются средством перемещения 24, чтобы отслеживать положение материала и, следовательно, изменять длину дуги.In some embodiments, the control unit 31 is also in turn connected to the movement means 24 to allow the position of the electrodes 23 to be adjusted at different stages of the melting process. In particular, the electrodes 23 are moved by the movement means 24 in order to follow the position of the material and hence change the length of the arc.
При таком решении блок управления 31 на конкретных стадиях процесса может управлять по меньшей мере следующими параметрами: напряжение питания Ua, ток питания Ia, частота электропитания fa и положение электродов 23. Широкие возможности управления различными параметрами позволяют оптимизировать передачу энергии в процесс и в то же время уменьшать воздействие на электросеть 26, возникающее из-за быстрых изменений мощности на стороне печи.With this solution, the control unit 31 can control at least the following parameters at specific stages of the process: the supply voltage Ua, the supply current Ia, the frequency of the supply fa and the position of the electrodes 23. reduce the impact on the power grid 26 due to rapid power changes on the furnace side.
Возможны решения, когда трансформатор 25, выпрямители 29, подключенные к трансформатору 25, и преобразователи 10 вместе образуют модуль питания 34.Solutions are possible where the transformer 25, the rectifiers 29 connected to the transformer 25 and the converters 10 together form a power module 34.
Возможен вариант, в котором устройство 20 снабжено совокупностью модулей питания 34, подключенных параллельно друг к другу к электросети 26 и к печи 21.A variant is possible in which the device 20 is equipped with a set of power modules 34 connected in parallel to each other to the mains 26 and to the furnace 21.
Комбинация нескольких модулей питания 34 позволяет получить блок электропитания 20, размеры которого можно масштабировать в зависимости от конкретного размера питаемой печи 21.The combination of several power modules 34 results in a power supply unit 20 that can be scaled to suit the specific size of the furnace 21 being fed.
В некоторых вариантах число модулей питания 34 варьируется от 2 до m, где m - целое число, которое может быть десять, двенадцать, двадцать, сорок, шестьдесят или даже больше.In some embodiments, the number of power modules 34 varies from 2 to m , where m is an integer that can be ten, twelve, twenty, forty, sixty, or even more.
Модули питания 34 могут быть подключены каждый к электроду 23, чтобы снабжать его электрической энергией. Для каждого электрода 23 может быть предусмотрено более одного модуля питания 34.Power modules 34 may each be connected to electrode 23 to supply it with electrical energy. More than one power module 34 may be provided for each electrode 23.
Следовательно, в зависимости от количества модулей питания 34 блок электропитания 20 может содержать большое количество преобразователей 10: до шестидесяти или даже больше.Therefore, depending on the number of power modules 34, the power supply 20 may contain a large number of converters 10: up to sixty or even more.
Возможно решение, когда блок управления 31 подключен ко всем модулям питания 34 для управления по меньшей мере соответствующими преобразователями 10, так что каждый модуль выдает в нагрузку одинаковые значения напряжения питания Ua, тока питания Ia и частоты электропитания fa. При таком решении можно предотвратить сбои в работе всей системы.A solution is possible when the control unit 31 is connected to all power modules 34 to control at least the respective converters 10, so that each module supplies the load with the same values of supply voltage Ua, supply current Ia and supply frequency fa. With this solution, failures in the operation of the entire system can be prevented.
Возможно решение, когда блок электропитания 20 содержит катушку индуктивности 35, обеспечивающую получение желаемого общего реактивного сопротивления устройства.A possible solution is for the power supply 20 to include an inductor 35 to achieve the desired overall reactance of the device.
Катушка индуктивности 35 может быть подключена после преобразователей 10 и имеет такие размеры, чтобы обеспечить желаемое общее эквивалентное реактивное сопротивление. При таком решении можно получать общее реактивное сопротивление, которое определяется вкладом катушки индуктивности 35 и реактивным сопротивлением, вносимым проводниками, соединяющими систему с нагрузкой. В некоторых вариантах катушка индуктивности 35 подключена после электрического фильтра 30 нижних частот.The inductor 35 may be connected after the transducers 10 and is sized to provide the desired total equivalent reactance. With this solution, it is possible to obtain a total reactance, which is determined by the contribution of the inductor 35 and the reactance introduced by the conductors connecting the system to the load. In some embodiments, the inductor 35 is connected after the electrical low-pass filter 30.
В целом, индуктивность - это проектный параметр, который нельзя изменить после сборки компонента.In general, inductance is a design parameter that cannot be changed after the component has been assembled.
Изменяя частоту (например, относительно 50 Гц сети), можно при той же индуктивности изменить значение реактивного сопротивления компонента цепи, и, таким образом, получить желаемое значение полного эквивалентного реактивного сопротивления.By changing the frequency (for example, relative to 50 Hz of the network), it is possible, with the same inductance, to change the value of the reactance of the circuit component, and thus obtain the desired value of the total equivalent reactance.
Регулируя частоту на разных стадиях процесса, можно оптимизировать электрические параметры на каждой стадии. Во-первых, номинал (и, следовательно, стоимость) катушки индуктивности можно ограничить, используя ее с максимальной эффективностью на стадии рафинирования.By adjusting the frequency at different stages of the process, it is possible to optimize the electrical parameters at each stage. First, the value (and hence cost) of the inductor can be limited by using it to its maximum efficiency in the refining stage.
С помощью электрической топологии, принятой для преобразователей, можно также защитить электросеть от помех, связанных с процессом плавления (уменьшение фликкер-шума, гармоники, косинус «фи» и т. д.), в то же время гарантируя стабильность дуги на всех стадиях.With the electrical topology adopted for the converters, it is also possible to protect the power grid from disturbances associated with the melting process (reduction of flicker noise, harmonics, cosine "phi", etc.), while guaranteeing the stability of the arc at all stages.
Кроме того, возможность изменения частоты питания электродов относительно частоты сети упрощает определение размеров индуктивных компонентов в условиях ограниченного пространства / стоимости, улучшает использование проводников, уменьшая сопротивление и, следовательно, потери в системе.In addition, the ability to change the frequency of the electrode power supply relative to the mains frequency simplifies the sizing of inductive components in space / cost limited conditions, improves the use of conductors, reducing resistance and, therefore, losses in the system.
В случае электродуговой печи, например, при том же полном сопротивлении дуги увеличение частоты увеличивает индуктивное сопротивление и уменьшает эквивалентный коэффициент мощности по отношению к нагрузке, что улучшает стабильность дуги (полезно, когда, например, лом еще не расплавлен, и дуга не очень защищена), не давая ей погаснуть.In the case of an electric arc furnace, for example, with the same arc impedance, increasing the frequency increases the inductive reactance and reduces the equivalent power factor with respect to the load, which improves the stability of the arc (useful when, for example, the scrap is not yet melted and the arc is not very protected) without letting it go out.
Понятно, что в описанных выше преобразователе 10 и блоке электропитания 20 без отклонения от области и объема изобретения могут быть сделаны модификации и/или добавления частей.It is understood that modifications and/or additions of parts can be made to the converter 10 and power supply 20 described above without deviating from the scope and scope of the invention.
Ясно также, что, хотя изобретение описано со ссылками на некоторые конкретные примеры, специалист, безусловно, сможет создать множество других эквивалентных форм преобразователя 10 и блока электропитания 20, имеющих признаки, изложенные в формуле изобретения, и, следовательно, охватываемых определяемым ею объемом охраны.It is also clear that, although the invention has been described with reference to some specific examples, one skilled in the art would certainly be able to create many other equivalent forms of converter 10 and power supply 20 that have the features set forth in the claims and are therefore covered by their scope of protection.
В прилагаемой формуле изобретения ссылочные обозначения в скобках предназначены только для облегчения чтения: они не должны рассматриваться как ограничивающие объем охраны, заявленный в конкретных пунктах формулы изобретения.In the appended claims, the reference signs in brackets are for ease of reading only: they are not to be construed as limiting the scope of protection claimed in particular claims.
Claims (19)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT102019000019868 | 2019-10-28 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2801397C1 true RU2801397C1 (en) | 2023-08-08 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6274851B1 (en) * | 1999-08-31 | 2001-08-14 | Inverpower Controls Ltd. | Electric arc furnace controller |
| RU2206949C2 (en) * | 2001-07-06 | 2003-06-20 | Петербургский государственный университет путей сообщения | Converting device |
| RU2477588C2 (en) * | 2008-09-30 | 2013-03-10 | Сименс Акциенгезелльшафт | Power supply installation for three-phase electric arc furnace with double-link ac converter between mains connection and furnace transformer |
| CN205377680U (en) * | 2015-11-27 | 2016-07-06 | Abb技术有限公司 | A auxiliary power supply system and supplementary converter assembly for rail vehicle |
| DE102017206774A1 (en) * | 2017-04-21 | 2018-10-25 | Lenze Automation Gmbh | Electric control unit |
| CN109193644A (en) * | 2018-10-17 | 2019-01-11 | 国网湖南省电力有限公司 | Based on power grid-information-traffic integration of three networks modeling and simulating method |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6274851B1 (en) * | 1999-08-31 | 2001-08-14 | Inverpower Controls Ltd. | Electric arc furnace controller |
| RU2206949C2 (en) * | 2001-07-06 | 2003-06-20 | Петербургский государственный университет путей сообщения | Converting device |
| RU2477588C2 (en) * | 2008-09-30 | 2013-03-10 | Сименс Акциенгезелльшафт | Power supply installation for three-phase electric arc furnace with double-link ac converter between mains connection and furnace transformer |
| CN205377680U (en) * | 2015-11-27 | 2016-07-06 | Abb技术有限公司 | A auxiliary power supply system and supplementary converter assembly for rail vehicle |
| DE102017206774A1 (en) * | 2017-04-21 | 2018-10-25 | Lenze Automation Gmbh | Electric control unit |
| CN109193644A (en) * | 2018-10-17 | 2019-01-11 | 国网湖南省电力有限公司 | Based on power grid-information-traffic integration of three networks modeling and simulating method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yuan et al. | Opportunities, challenges, and potential solutions in the application of fast-switching SiC power devices and converters | |
| US10116201B2 (en) | High power density inverter (I) | |
| US9019731B2 (en) | High-power medium-voltage drive power cell having power elements disposed on both sides of base plate | |
| Çetin et al. | VSC-based D-STATCOM with selective harmonic elimination | |
| CN104054245B (en) | Power conversion device | |
| Zare et al. | Electromagnetic interference issues of power, electronics systems with wide band gap, semiconductor devices | |
| Ghosh et al. | Industrial approach to design a 2-kVa inverter for Google little box challenge | |
| US9998028B2 (en) | Low inductivity circuit arrangement of an inverter | |
| Kranzer et al. | Development of a 10 kV three-phase transformerless inverter with 15 kV silicon carbide MOSFETs for grid stabilization and active filtering of harmonics | |
| Kranzer et al. | Applications of SiC devices | |
| AU2020376125B2 (en) | Converter device and electric power supply apparatus | |
| RU2801397C1 (en) | Converter and power supply unit | |
| Dietrich et al. | A new 7.2 kV medium voltage 3-Level-NPC inverter using 6.5 kV-IGBTs | |
| Diao et al. | A modular and performance-tunable silicon carbide half-bridge building block with digital gate driver | |
| SE521367C2 (en) | VSCconverter | |
| Gabriel et al. | Design of a three-phase 70 kw current source inverter for photovoltaic applications using a new 1.7 kv full-sic voltage bidirectional power module | |
| CN110995018A (en) | Topological structure based on different arrangement of bidirectional H-bridges | |
| JP6433579B2 (en) | Power converter | |
| Thoma et al. | Highly Compact 250 kVA Inverter Stack with 3.3 kV SiC MOSFETs | |
| Golkhah et al. | Multilevel Converter Objectives: a Critical Evaluation and Combination of Available Natural-Commuted Topologies with Restructured Iron Cores | |
| KR102358313B1 (en) | Wbg-based power converter and power converter control method including output filter to control the output voltage of the motor to which the output signal of the matrix converter is applied | |
| Kranzer et al. | 9.1 Retrospective | |
| Siswantoro et al. | Ripple reduction of DC current sources in three-level CE-CSI circuits using single core inductors | |
| JP2017108521A (en) | Electric power conversion device | |
| Shakweh et al. | Multi-megawatt, medium voltage, PWM, voltage source, sine-wave-output converter for industrial drive applications |