Источники питания дуговых печей. Конструкция печных трансформаторов. Токопроводы и токоподводы. Типовые схемы защиты и сигнализации. Схемы приводов перемещения электродов

Лекция 15

Переплавные печи с кристаллизатором мощностью до 500 кВт питаются от сети напряжением 380 В, а большей мощности от сетей напряжением 6-10 кВ. В этом технологическом процессе обычно используется однофазная система питания в связи с тем, что печь с одним электродом для обработки слитков различного размера обеспечивает высокий коэффициент заполнения кристаллизатора. Нагрузочная характеристика такова, что в конце плавки мощность падает.

Подключение однофазной руднотермической печи к трехфазной сети приводит к дисбалансу токов, что ведет, в свою очередь, к асимметрии питающего напряжения. Асимметрия токов уменьшает мощность, потребляемую от сети, в то время как дисбаланс напряжений оказывает сильное влияние на других потребителей: светотехническое оборудование, асинхронные двигатели и т.д. В этом случае настоятельно рекомендуется использование симметрирующих устройств.

Большинство дуговых сталеплавильных печей (ДСП) работают на переменном токе и питаются от трансформаторов с регуляторами режима работы. Мощность печей лежит в пределах от 0,4 до 60 МВт (могут применяться и более мощные печи), напряжение на вторичной стороне от 110 до 500 В, а ток достигает 100 кА и даже более. Подобные ИП используются и для электрошлаковых печей. Печи малой и средней мощности питаются от трехфазных трансформаторов, в то время как печи большой мощности - тремя однофазными трансформаторами. Мощности установок варьируются от 1 до 100 МВт, первичное напряжение ИП равно 6, 10, 35, 110 или 150 кВ.

Общим в работе ИП для дуговых сталеплавильных печей является использование трехфазного питания. Первый этап плавки - расплавление загрузки - производится с максимальной мощностью, на втором этапе, во время которого мощность составляет 0,7-0,8 Pmax, в расплавленный металл вводится шлак. Мощность третьего этапа - рафинирования - 0,4-0,5 Pmax. Первый этап характеризуется неравномерной нагрузкой и продолжается 50-270 минут, во время второго и третьего этапов режим работы является более равномерным и спокойным, длительность их 20-80 и 40-90 минут соответственно. Весь процесс плавки требует 2-8 часов. Во время процесса происходят многочисленные разрывы дуги (до 10 за время плавки).

В вакуумных дуговых печах электрод переплавляется внутри кристаллизатора. Вместо шлака рабочей зоной служит дуговой промежуток между электродом и шихтой. Дуга в таких печах имеет низкую тепловую инерцию, и для ее устойчивого горения необходимо питание на постоянном токе от управляемого выпрямителя.

Развитие дуговых сталеплавильных печей привело к созданию оборудования с высокой удельной мощностью (700-1000 кВт на тонну). Конструкция таких печей изменена по сравнению с традиционной, и в них используется водяное охлаждение. Такие дуговые сталеплавильные печи большой мощности применяются для плавки и перегрева стали, в то время как рафинирование производится в других устройствах. Использование сверхмощных дуговых сталеплавильных печей приводит к проблеме влияния на питающую сеть, поскольку дуга является нелинейным элементом, поэтому интерес к использованию печей, работающих на постоянном токе, очевиден. В то же время преимущества дуговых сталеплавильных печей постоянного тока (емкость которых составляет 80-150 тонн) не могут компенсировать их недостатки. Во-первых, конструкция печи усложняется вследствие необходимости использовать подовый электрод. Во-вторых, из-за удлинения дуги снижается эффективность металлургического процесса на некоторых стадиях плавки. Кроме того, значительная длина дуги (до 1-1,5 м) приводит к большим тепловым потерям.

Увеличение мощности дуговых сталеплавильных печей до 90 МВт также ведет к проблемам в энергоснабжении из-за появления низкочастотной составляющей (2-10 Гц). Использование переменного тока приводит к так называемому фликер-эффекту из-за дисбаланса тока между его постоянной и переменной составляющими во время прямого и обратного переключения. Следовательно, в некоторых случаях смешанное питание постоянным и переменным током представляется приемлемым. Предложение использовать переменный ток с постоянной составляющей для дуговых сталеплавильных печей заслуживает рассмотрения (рис.1.).

Большинство схем выпрямителей являются шестифазными, что означает наличие шести коммутаций в течении периода питающего напряжения для мостовых схем выпрямления (рис.2.). Такие выпрямители питают многие виды электротехнологических установок.

Индукционные канальные печи питаются током частотой 50 Гц. Их мощность составляет 125-2000 кВт. В качестве ИП в большинстве случаев используются однофазные трансформаторы. Индукционные тигельные печи для плавки чугуна, алюминия, меди питаются через трансформаторы от промышленных сетей частотой 50 Гц. На повышенной частоте, используемой для плавки стали, применяются статические преобразователи частоты, которые, в свою очередь, питаются от выпрямителей.

Установки повышенной и высокой частоты используются для всех видов термообработки. В качестве ИП применяются тиристорные и транзисторные статические преобразователи частоты. Тиристорные преобразователи охватывают диапазон частот до 10 кГц при мощностях до 10 МВт. Для частот выше 10 кГц в ИП применяются мощные биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ - IGBT) или силовые полевые транзисторы (МДПТ - MOSFET).

Рис.1. Схема питания дуговой печи переменным током с постоянной составляющей

Для получения частоты тока выше 400-800 кГц применяются ламповые генераторы.

Краткий обзор показывает, что наиболее распространенными ИП являются выпрямители. Они используются как для непосредственного питания электротехнологических устройств (дуговые сталеплавильные печи, руднотермические печи и т.д.), так и в качестве промежуточного звена для питания преобразователей, необходимых для получения частот, отличных от частоты сети. Если частота сети равна 50 Гц, то при шестифазном выпрямлении трехфазного тока частота пульсации равна 300 Гц и, таким образом, выпрямленное напряжение содержит следующую последовательность частот: 6w, 12w, 18w (w - частота питающего напряжения) (рис. 2,a).

Наличие высших гармоник в выпрямленном напряжении оказывает влияние на электротехнологические процессы. Например, в установках электронно - лучевого нагрева появляются пульсации мощности и расфокусировка луча, при плавке в холодных тиглях пульсации напряжения влияют на технологический процесс через ламповый генератор, что ведет к появлению электродинамической модуляции и нарушению роста монокристаллов. Нагрев движущихся объектов (например, в установках индукционного нагрева для ВЧ сварки труб, кабелей и т.д.) также усложняется из-за наличия этих пульсаций. Мощность в нагрузке пропорциональна квадрату выпрямленного напряжения, и даже незначительная модуляция снижает качество обработки. В случае мощных дуговых сталеплавильных печей высшие гармоники оказывают влияние на сеть промышленной частоты.

Рис. 2. Схема шести- и двенадцатифазного выпрямления трехфазного тока

Во всех схемах выпрямителей токи первичной и вторичной обмоток питающего трансформатора несинусоидальны. Если активная мощность выпрямителя равна:

P = E I,

где E и I - средние значения выпрямленного напряжения и тока, то полная мощность на первичной стороне равна:

S=3U₁I_1,,

где U₁ - действующее значение фазного напряжения, I₁ - действующее значение тока первичной обмотки.

С другой стороны, мощность, подводимая к трансформатору выпрямителя по первой гармонике, равна:

P=3U₁I₁₁cosj,

где I₁₁ - действующее значение первой гармоники тока первичной обмотки, j - угол сдвига фаз между напряжением и первой гармоникой тока первичной обмотки.

Тогда коэффициент мощности равен

Km=P/S=3U₁I₁₁cosj/3U₁I₁=I₁₁cosj/I₁=ncosj,

n - коэффициент искажения первичного тока из-за несинусоидальности токов обмоток трансформатора.

Значение коэффициента n зависит от числа фаз и коммутаций выпрямителя за периоде. Если число фаз равно трем, то для однотактной схемы Km=0.827, а для шестифазной схемы выпрямления Km=0.953. Схемы по рис.2,b,c дают двенадцатифазное выпрямление. Для трехфазной мостовой схемы (шестифазное выпрямление), работающей на активную нагрузку, содержащей бесконечно большой сглаживающий реактор и имеющей идеальный трансформатор с соединением обмоток звезда-звезда, форма тока будет близка к прямоугольной с амплитудой, приближающейся к значению выпрямленного тока I_d. При этом фазовый угол между фазным напряжением и первой гармоникой фазного тока будет равен нулю. Если же ток выпрямителя искажается, то этот угол становится отличным от нуля, что проявляется при регулировании управляемого выпрямителя.

Для регулирования выпрямленного напряжения используются два основных подхода. Первый - изменение угла регулирования вентилей выпрямителя (рис.3.), второй - управление углом регулирования встречно-параллельно включенных вентилей на первичной стороне силового трансформатора (рис.4.).

На рис.5. показан пример системы питания дуговой сталеплавильной печи на постоянном токе. Мощная печь питается от сети высокого напряжения 30 кВ. Для питания подовых электродов применяются два параллельно включенных выпрямителя с одинаковыми 12-ти фазными схемами выпрямления. Регулирование осуществляется изменением фазовых углов тиристоров обоих выпрямителей. Для сглаживания пульсаций выпрямителя в схему введены сглаживающие реакторы, поскольку несинусоидальный ток, появляющийся на первичной стороне трансформатора, приводит к увеличению коэффициента искажений. На первичной стороне трансформатора подключены компенсирующие батареи конденсаторов. Конечно, могут применяться и другие схемы выпрямителей.

Рис. 3. Схема питания дуговой сталеплавильной печи постоянного тока

Дата добавления: 2014-01-07