источник питания дуговой печи постоянного тока

Формула изобретения

1. Источник питания дуговой печи постоянного тока, содержащий два трехфазных мостовых вентильных комплекта, однополярные выводы постоянного тока которых предназначены для подключения соответственно к сводовым и подовым электродам печи, а между выводами переменного тока, предназначенными для подключения соответствующих вторичных обмоток трехфазного питающего трансформатора, включены соединительные элементы, управляемые коммутирующим устройством, связанным с системой управления, отличающийся тем, что выводы переменного тока мостовых вентильных комплектов присоединены к противоположным концам вторичных обмоток соответствующих фаз, а каждый из соединительных элементов выполнен в виде, по меньшей мере, одного управляемого вентиля, который анодом присоединен к выводу первого комплекта, а катодом - к выводу одноименной фазы второго комплекта.

2. Источник питания по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным трехфазным мостовым вентильным комплектом, выводы переменного тока которого соединены с выводами предшествующего комплекта аналогичными дополнительными соединительными элементами и подключены к концам дополнительных вторичных обмоток соответствующих фаз трансформатора, противоположным по отношению к концам, к которым подключены выводы предшествующего мостового вентильного комплекта.

3. Источник питания по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным трехфазным мостовым вентильным комплектом, который подключен к дополнительным вторичным обмоткам трансформатора и присоединен к предшествующему комплекту посредством двух трехфазных нулевых групп управляемых вентилей, включенных между выводами переменного тока указанных комплектов и соединенных между собой разнополярными выводами постоянного тока, причем вентили этих групп включены согласно с вентилями мостовых вентильных комплектов.

4. Источник питания по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, двумя дополнительными трехфазными мостовыми вентильными комплектами, выводы переменного тока которых присоединены к противоположным концам дополнительных вторичных обмоток соответствующих фаз и соединены между собой аналогичными дополнительными соединительными элементами, а, по меньшей мере, один из дополнительных комплектов подключен к одному из предшествующих посредством двух трехфазных нулевых групп управляемых вентилей, включенных между выводами переменного тока указанных комплектов и соединенных между собой разнополярными выводами постоянного тока, причем вентили этих групп включены согласно с вентилями, соединяющими выводы переменного тока остальных мостовых вентильных комплектов.

5. Источник питания по п. 3 или 4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в одной паре трехфазных нулевых групп одна из групп выполнена из неуправляемых вентилей.

6. Источник питания по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что первый и последний трехфазные мостовые вентильные комплекты выполнены полууправляемыми, причем в первом выполнена неуправляемой катодная группа вентилей, а в последнем - соответственно анодная.

7. Источник питания по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что к разнополярным выводам постоянного тока трехфазных мостовых вентильных комплектов по их числу поочередно подключены реакторы с парами встречно включенных магнитно связанных частей обмоток, причем встречно включенные части обмоток каждого реактора подключены к однополярным выводам постоянного тока мостовых вентильных комплектов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам питания электродуговой или иной нагрузки, требующей глубокого регулирования напряжения и тока (электрометаллургических установок), например дуговых печей постоянного тока.

Дуговые плавильные печи характеризуются существенным снижением напряжения дуги в процессе плавки вследствие уменьшения градиента потенциала в столбе дуги по мере прогрева и проплавления шихты и разогрева рабочего пространства печи. На определенном этапе процесса напряжение дуги снижается настолько, что требуется принятие специальных мер (изменение длины дуги, повышение тока) для поддержания уровня вводимой в печь мощности.

Широко известны (Полупроводниковые выпрямители. / Под ред. Ф.И. Ковалева, Г. П. Мостковой. М.: Энергия, 1979) схемы последовательного и параллельного соединения выпрямительных устройств, обеспечивающие необходимое согласование с параметрами нагрузки при неизменной мощности источника питания. Недостаток такого источника применительно к дуговым печам заключается в невозможности оперативного переключения силовой схемы с последовательного соединения на параллельное, следствием чего является необходимость серьезного нарушения хода технологического процесса с целью указанного переключения.

Известно устройство для питания дуговой печи постоянного тока (А.с. СССР 1702546), позволяющее оперативно осуществлять переход с последовательной на параллельную схему соединения двух трехфазных мостовых выпрямителей. Устройство содержит питающий трехфазный трансформатор с двумя группами вторичных обмоток, к каждой из которых подключена трехфазная управляемая мостовая вентильная группа с блоком управления, а также трехфазную нулевую управляемую вентильную группу и неуправляемую однофазную вентильную группу. Первая из них подключена выводами переменного тока к выводам переменного тока одной из мостовых вентильных групп, а выводом постоянного тока к электроду печи, не связанному с выводами постоянного тока этой же мостовой вентильной группы, а вторая включена между выводами постоянного тока одной мостовой вентильной группы согласно ее вентилям. Недостатком известного устройства является наличие дополнительных вентильных групп и усложнение схемы управления, что снижает надежность устройства в целом.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является источник постоянного тока для питания дуговой печи (Патент России 1790321), содержащий первый и второй трехфазные мостовые вентильные комплекты со сглаживающими реакторами в цепях постоянного тока, состоящие каждый из первой и второй трехфазных нулевых групп вентилей, одноименные выводы постоянного тока которых предназначены для подключения соответственно к электроду и подине печи, а выводы переменного тока каждой из них предназначены для подключения к выводам соответствующих вторичных обмоток питающего трансформатора, третью и четвертую трехфазные нулевые группы вентилей, разноименные выводы постоянного тока которых соединены между собой, а выводы переменного тока подключены соответственно к выводам переменного тока первого и второго трехфазных мостовых комплектов, а также систему управления и коммутирующее устройство. Одна из трехфазных нулевых групп вентилей каждого мостового комплекта выполнена неуправляемой, в ее цепь постоянного тока включен сглаживающий реактор, а третья и четвертая трехфазные нулевые группы вентилей выполнены управляемыми, причем третья, четвертая управляемые трехфазные нулевые группы вентилей мостовых вентильных комплектов установлены так, что к выводам переменного тока, предназначенным для подключения к выводам соответствующих вторичных обмоток указанного трансформатора, подключены одноименные выводы управляемых вентилей указанных групп, а сглаживающие реакторы включены последовательно в цепи постоянного тока неуправляемых вентильных групп соответствующих мостовых вентильных комплектов.

Недостатком данного устройства является наличие дополнительных управляемых трехфазных нулевых групп вентилей, что приводит к удорожанию источника питания и снижению его надежности.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание более простого и надежного источника постоянного тока для питания дуговой печи с расширенными возможностями согласования параметров источника и нагрузки, повышение коэффициента мощности и кпд установки, обеспечение более полной компенсации магнитных полей в преобразователе, снижение его массы и габаритов, повышение скорости расплавления шихты при более низком удельном расходе электроэнергии.

Поставленная задача решается тем, что в источнике питания дуговой печи постоянного тока, содержащем два трехфазных мостовых вентильных комплекта, однополярные выводы постоянного тока которых предназначены для подключения соответственно к сводовым и подовым электродам печи, а между выводами переменного тока, предназначенными для подключения соответствующих вторичных обмоток трехфазного питающего трансформатора, включены соединительные элементы, управляемые коммутирующим устройством, связанным с системой управления, выводы переменного тока мостовых вентильных комплектов присоединены к противоположным концам вторичных обмоток соответствующих фаз, а каждый из соединительных элементов выполнен в виде по меньшей мере одного управляемого вентиля, который анодом присоединен к выводу первого комплекта, а катодом - к выводу одноименной фазы второго комплекта.

Задача решается также тем, что источник питания снабжен по меньшей мере одним дополнительным трехфазным мостовым вентильным комплектом, выводы переменного тока которого соединены с выводами предшествующего комплекта аналогичными дополнительными соединительными элементами и подключены к концам дополнительных вторичных обмоток соответствующих фаз трансформатора, противоположным по отношению к концам, к которым подключены выводы предшествующего мостового вентильного комплекта.

Задача решается и тем, что источник питания снабжен еще одним дополнительным трехфазным мостовым вентильным комплектом, который подключен к дополнительным вторичным обмоткам трансформатора и присоединен к предшествующему комплекту посредством двух трехфазных нулевых групп управляемых вентилей, включенных между выводами переменного тока указанных комплектов и соединенных между собой разнополярными выводами постоянного тока, причем вентили этих групп включены согласно с вентилями мостовых вентильных комплектов.

Задача решается также тем, что источник питания снабжен по меньшей мере двумя дополнительными трехфазными мостовыми вентильными комплектами, выводы переменного тока которых присоединены к противоположным концам дополнительных вторичных обмоток соответствующих фаз и соединены между собой аналогичными дополнительными соединительными элементами, а по меньшей мере один из дополнительных комплектов подключен к одному из предшествующих посредством двух трехфазных нулевых групп управляемых вентилей, включенных между выводами переменного тока указанных комплектов и соединенных между собой разнополярными выводами постоянного тока, причем вентили этих групп включены согласно с вентилями, соединяющими выводы переменного тока остальных мостовых вентильных комплектов.

Задача решается и тем, что первый и последний трехфазные мостовые вентильные комплекты могут быть выполнены полууправляемыми.

Кроме того, задача решается тем, что по меньшей мере в одной паре трехфазных нулевых групп одна из групп выполнена из неуправляемых вентилей.

Также задача решается тем, что к разнополярным выводам постоянного тока трехфазных мостовых вентильных комплектов по их числу поочередно подключены реакторы с парами встречно включенных магнитно связанных частей обмоток, причем встречно включенные части обмоток каждого реактора подключены к одополярным выводам постоянного тока мостовых вентильных комплектов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дана схема источника питания с подключением к электродам печи.

На фиг. 2 представлена упрощенная схема источника питания с двумя дополнительными трехфазными мостовыми вентильными комплектами.

На фиг. 3 изображено соединение мостовых вентильных комплектов (не показаны) посредством двух трехфазных нулевых групп управляемых вентилей.

На фиг.4-6 показаны схемы включения источника, представленного на фиг.2. Значок - вентиль выключен, значок - вентиль включен.

На фиг.7 изображен вариант выполнения соединительных элементов.

На фиг. 8 представлена схема соединения реакторов с выводами источника питания и с нагрузкой.

Источник питания дуговой печи (фиг.1) согласно изобретению содержит трехфазный питающий трансформатор с вторичными обмотками 1 и 2, к которым подключены трехфазные мостовые вентильные комплекты 3 и 4, собранные из управляемых вентилей, например тиристоров. В анодной группе вентилей одного из комплектов и катодной группе вентилей другого комплекта могут быть установлены неуправляемые вентили, например диоды, т.е. мостовые вентильные комплекты могут быть полууправляемыми, что способствует упрощению и снижению стоимости источника питания. В цепи постоянного тока неуправляемых групп вентилей могут быть установлены дроссели (реакторы) 5 и 6, которые обеспечивают выравнивание напряжений мостовых вентильных комплектов при их параллельном включении и повышают устойчивость горения дуги. Однополярные выводы постоянного тока двух мостовых вентильных комплектов соединены между собой и подключены к сводовому 7 и подовому 8 электродам печи 9 (или иной нагрузки, требующей глубокого регулирования напряжения и тока, например для сварки постоянным током и в других приложениях). Выводы переменного тока мостового вентильного комплекта 3 присоединены к началам вторичных обмоток 1 трансформатора, а выводы переменного тока комплекта 4 присоединены к концам вторичных обмоток 2. Между выводами переменного тока мостовых вентильных комплектов, подключенными к вторичным обмоткам одноименных фаз, включены соединительные элементы 10, выполненные в виде по меньшей мере одного управляемого вентиля, например тиристора, который анодом присоединен к выводу комплекта 3, а катодом - к выводу комплекта 4. Управляющие электроды вентилей мостовых комплектов 3, 4 и соединительных элементов 10 подключены к блоку управления 11 через коммутирующее устройство 12, которое осуществляет оперативное включение и отключение групп вентилей.

В устройстве согласно изобретению используется меньшее по сравнению с прототипом число управляемых вентилей в соединительных элементах, что помимо упрощения и удешевления делает заявляемый источник питания более надежным и экономичным - повышает его кпд.

Вышеописанный источник питания может быть дополнен по меньшей мере еще одним трехфазным мостовым вентильным комплектом, выводы переменного тока которого соединены с выводами предшествующего комплекта аналогичными дополнительными соединительными элементами и подключены к концам дополнительных вторичных обмоток соответствующих фаз трансформатора, противоположным по отношению к концам, к которым подключены выводы предшествующего мостового вентильного комплекта. Использование данного источника возможно для питания одноэлектродной, а также многоэлектродной печи постоянного тока. За счет переключения управляемых групп вентилей мостовых комплектов и соединительных элементов можно реализовать следующие режимы работы: 1) параллельное включение трех мостовых комплектов, подключенных к одному электроду или каждого к соответствующему электроду печи; 2) последовательное включение трех мостовых комплектов, подключенных к одному электроду с утроением выпрямленного напряжения; 3) последовательное включение двух мостовых комплектов, подключенных к одному электроду с удвоением выпрямленного напряжения.

Источник питания, изображенный на фиг.2, целесообразно использовать для питания дуговой печи с одним сводовым электродом, а также при четном их числе. Данный источник снабжен двумя дополнительными трехфазными мостовыми вентильными комплектами 13 и 14, выводы переменного тока которых присоединены к противоположным концам дополнительных вторичных обмоток 15 и 16 соответствующих фаз трансформатора (может быть установлен дополнительный трехфазный трансформатор) и соединены между собой дополнительными соединительными элементами 17, аналогичными элементам 10. Дополнительный мостовой комплект 13 подключен к комплекту 4 посредством соединительных элементов 18, которые могут быть выполнены аналогично элементам 10 или по схеме фиг.3, образованной двумя трехфазными нулевыми управляемыми вентильными группами 19 и 20, которые включены между выводами переменного тока комплектов 4, 13 и соединены между собой разнополярными выводами постоянного тока, причем вентили этих групп включены согласно с вентилями, соединяющими выводы переменного тока остальных мостовых вентильных комплектов. При реализации такой схемы (фиг. 3, 7) снижаются требования по напряжению к тиристорам 19, 20 и диодам 21 соединительных элементов 10, 17, 18. Кроме того, обеспечивается более полная компенсация магнитных полей в конструкции преобразовательного блока и снижение электромагнитных потерь, что способствует уменьшению массы и габаритов выпрямителя.

Включение реакторов (дросселей) 22 (23), при котором магнитосвязанные части 24 и 25 (соответственно 26 и 27) обмоток выполнены на одном магнитопроводе и включены в соответствии с фиг.8, позволяет снизить их массу и габариты, а также улучшить токораспределение по вентильным комплектам при их параллельном подключении к нагрузке 28.

Работа вышеописанного источника питания осуществляется по следующим режимам, реализуемым посредством переключения управляемых групп вентилей мостовых комплектов и соединительных элементов посредством переключения с помощью коммутирующего устройства управляющих импульсов, вырабатываемых блоком управления.

На фиг.4 представлено параллельное включение четырех мостовых вентильных комплектов при номинальном выпрямленном напряжении на каждом. Вентили соединительных элементов 10, 17 и 18 в этом режиме переведены коммутирующим устройством в выключенное состояние.

На фиг.5 показано последовательное включение групп вентилей каждой пары мостовых вентильных комплектов с удвоением выпрямленного напряжения, которое может быть подведено к одному или к паре сводовых электродов печи. В этом режиме с помощью соединительных элементов 10 (и 17) каскадно соединены анодные группы комплекта 3 (13) с катодными группами комплекта 4 (14).

На фиг. 6 показано последовательное включение групп вентилей первого и последнего мостовых вентильных комплектов и всех соединительных элементов. Каскадно соединены анодная группа комплекта 3 с катодной группой комплекта 14 через соеднительные элементы 10, 18, 17. При этом к одному электроду может быть приложено учетверенное выпрямленное напряжение при номинальном выпрямленном токе.

Возможность ступенчатого изменения выпрямленного напряжения позволяет в некоторых случаях значительно упростить конструкцию питающего трансформатора за счет исключения устройства для переключения витков первичной обмотки, что благоприятно отражается на стоимости источника питания и надежности.

Кроме того, снижение числа включенных вентилей позволяет повысить кпд источника питания. Использование глубокого регулирования напряжения печи путем переключения вентильных групп создает условия для повышения коэффициента мощности источника питания и, как следствие, позволяет повысить скорость расплавления шихты и снизить удельный расход электроэнергии в дуговой печи.