交流电弧炉新型稳恒流调功率（电极免升降）节能系统的利记博彩app
【专利摘要】交流电弧炉新型稳恒流调功率（电极免升降）节能系统。本发明涉及一种在电弧炉、埋弧炉、电阻炉、真空炉、电热炉等冶炼系统中应用的新技术。主要应用于电压要求连续变化或电流要求连续变化或两者兼有的阻性和阻感性负载系统中，节能效果显著。本发明可以在电弧炉、埋弧炉冶炼系统冶炼过程中当需要炉内稳（恒）流、炉内调弧压时，代替通过控制电极的升降稳（恒）流、调整输入功率的传统冶炼工艺。如在电阻炉、真空炉、电热炉等冶炼系统中应用，电压可以平滑、无级、宽范围、连续性调节，具有易于实现设备自动化、损耗低、谐波小、密封性好的特点，特别是可以解决原有技术电压电流时断时续的问题。
【专利说明】交流电弧炉新型稳恒流调功率(电极免升降)节能系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种在电弧炉、埋弧炉、电阻炉、真空炉、电热炉等冶炼系统中应用的新技术。本发明原理是在一个电压的连续正弦波(串变调压变压器主变低压输出的波形)上迭加另一个同步率电压可平滑无级调节的可通断的正弦波(串变调压变压器串变低压输出的波形，电压高低是通过改变通断比来实现的)进行合成，合成的电压是连续的、可平滑无级调节的，用此可平滑无级调节的合成电压代替电弧炉电极升降调弧压、稳流、调功的功能。合成的电压波形比较接近正弦波，调压范围可在0-100%之间。即把交流调压器当作高速响应、无触点化电炉变压器分接开关使用。
[0002]本专利可以在电弧炉、埋弧炉冶炼系统冶炼过程中当需要炉内稳(恒)流、炉内调弧压时，代替通过控制电极的升降稳(恒)流、调整输入功率的传统冶炼工艺的一种新技术。具有可自动或人工快速调整维持炉内稳(恒)电流、调弧压、减小电压波动与闪变、易于实现系统的自动化控制、当不需要电极升降时电炉的密封性好可以获得强还原性气芬对炉内反应有利、在突发情况下可以快速断电和快速恢复供电、节能效果显著。
[0003]如在系统低压电压变化范围大、电弧电流变化大的低压大电流系统(如各种交流电弧炉)中应用，能不升降电极就达到调压、稳(恒)流的效果。
[0004]本发明还可应用于其他电压要求连续变化状态或电流要求连续变化状态或两者兼有的阻性、阻感性交流系统中，如电阻炉、真空炉、电热炉系统。本发明原理是在一个连续正弦波上迭加一个电压可调的间断正弦波进行电压连续调节的，波形比较接近正弦波，达到对设备的影响降到最低。因此在电阻炉等冶炼设备中容易实现电压在平滑、无级、宽范围调节，具有易于实现设备自动化、损耗低、谐波小的要求。
[0005]本发明具有节电，可缩短电炉短网，最大限度减小电弧弧长，减小电弧弧阻，减小电炉变压器容量，减小设备投资，减小电压波动与闪变，减少系统所需无功功率，提高系统自身功率因数的显著效果。
[0006]特别在突发短路及其它需要快速处理的突发情况时具有在毫秒级甚或微秒级时间内快速断电或快速调压稳流而且可以快速恢复供电的保护功能，明显减小电压波动与闪变，在此过程中不采用升降电极的传统抑制方法(当交流调压器串接在串变调压变压器的串变低压侧时)。
[0007]本专利技术在冶炼过程中配合炉内稳(恒)流工艺过程做一定范围内的电压调整，同时也要求电极小范围调整以保证电极与料(液)面的最小安全距离，减少电弧弧长而降低炉内电压达到最大节电的目的。
[0008]本技术对电炉冶炼系统实现自动(计算机)控制的目标具有重要意义。
【背景技术】
[0009]电弧炉的冶炼过程主要分为两个阶段:熔化期和精炼期。熔化期炉内废钢装入后，炉盖封闭，同时插入三相电极。接通三相工频电源，则在电极与废钢之间产生工频大电流电弧，利用电弧热量开始熔化废钢。相对熔化期，精练期电弧相对稳定，电流基本不再变动，此时的电压波动与闪变影响极小。
[0010]通常交流电弧炉的冶炼周期约为l_3h，供电电压为110KV或35KV，由经特殊设计的电弧炉变压器供电，二次侧电极间的电压典型值在100-700V之间，其中电极电压降约为40V，电弧压降约为12V/cm，电弧越长压降越大。电弧炉的电流控制是通过电弧炉变压器高压侧绕组分接头的切换和电极的升降来实现的，即电炉变压器通过先用开关切换确定一个输入电弧电压的量值，再通过控制三相石墨电极插入炉内，通过控制电极的升降装置上下调节，控制电炉输入功率，从而控制电炉内电弧电流的终极目标。电弧炉所消耗的无功功率大，且变化量也很大。熔化期由于废钢与电极间存在直接电弧，随着废钢的熔化必然引起电弧长度的变化，进而导致燃弧点的移动，电极控制系统由于机械惯性响应时间在数秒至十几秒间，调节跟不上电弧的跳跃式变化，不能及时补偿，电弧极不稳定。
[0011]在初始熔化期间，由于炉内温度较低，电弧维持困难，电弧频繁地时起时灭，电流断续，为使电弧能稳定燃烧，电弧炉的功率因数不能取得太高，电流的急剧变化造成电弧炉从供电系统吸收的有功功率和无功功率同时急剧变化，即在电弧炉冶炼过程中，电弧电流快速地大幅度变动。由于电弧炉是高感性负载，高功率电弧炉运行在熔化期时，功率因数甚至低到0.1-0.2，这样引起母线电压严重降低。电压降低又相应降低电弧炉的有功功率，使熔化期延长，生产率下降。电弧炉在电极短路时功率因数为0.1-0.2，在额定运行时为
0.7—0.85 ο
[0012]随着熔化的进行，电极逐渐下降，废钢的熔化是从下部开始的，下部废钢熔化后，上部的钢块不稳定，于是纷纷落下，引起电极端突发的两相短路，电弧电流出现了急剧的大幅度变化。电弧电流的变动引起了电压闪变，由于燃弧点的移动导致电弧快速变动称周期闪变，由于电极短路引起的急剧变动称之为非常闪变，必在电力系统公共母线上产生严重的电压波动和闪变。此时引起的电压波动与闪变也非常剧烈，当两相电极短路，一相开路时,此时出现的电流变化幅度最大，因此引起的电压波动与闪变也最大。
[0013]电弧炉系统是一个强非线性，具有三相耦合特征的系统，而且其参数是时变的，同时受到随机扰动的影响。如何通过电极调节系统控制合适的弧长并且使之稳定，是全世界控制工程师们迫切需要解决的一个难题。对电弧炼钢节电而言，冶炼时间每缩短I分钟就意味着吨钢电耗下降l-2kwh，用计算机来控制电弧炉的冶炼过程，对缩短冶炼周期是很有效的。熔化期电耗占冶炼全过程用电的60%以上，熔化期的供电直接影响电耗，而熔化阶段炉内情况复杂，需经历点弧、穿井、短路、断弧、飞溅、蒸发，造成电弧功率、工作电流迅速不断的变化。降低出钢温度、减少出钢等待时间、电弧电流稳定，减少短路断弧次数、缩短熔化期，使吨钢电耗下降，在人工控制条件下要达到上述目标是难以做到的。而电炉的自动控制主要是控制电极的升降、控制输入功率，而电极控制系统是由液压系统构成，由于机械惯性，电极的升降速度慢，灵敏度差，调节跟不上电弧的跳跃式变化，不能及时补偿，这同时也是最难控制的。
[0014]在冶炼过程中三相电极必须根据弧长变化，对电极和原料之间的相对距离进行调节，以确保电弧的长度保持稳定并发挥其最佳的热效率来熔炼炉料。由于交流电弧炉冶炼的被控对象具有高度的非线性、强耦合、时变性和时滞性等特点，在熔化期阶段，外部扰动明显、弧长变化和偏差大，要求电极控制器具有较高的无超调快速响应特性，因此响应时间是实现自动化控制的关健。[0015]现阶段，电弧炉电极升降自动控制系统生产成本高、维护量大、控制环节复杂、故障率高、响应速度慢造成调节跟不上电弧的跳跃式变化补偿不及时等原因，造成电炉冶炼行业自动化程度低。
[0016]上述用电设备经常由于电弧炉的电流控制是通过控制电极的升降装置上下调节，控制电炉输入功率，电弧压降约为12V/cm，电弧越长压降越大。如电极调压功能由其他元件代替，电弧弧长控制在一定范围内，将节约大量电能。
[0017]上述用电设备经常发生电极端突发短路，电弧电流出现了急剧的大幅度变化。弓丨起的电压波动与闪变也最大，本专利可在毫秒级时间内快速调整电压甚或按相应电炉的特性事先设定自动控制程序，明显减小电压波动与闪变。
[0018]上述用电设备出现短路，空载等瞬变状态，造成电流极不稳定，导致电压大幅度波动，使设备汲取的有功功率减少，母线电压下降。电流的突然中断，易使变压器绕组产生内部过电压，对变压器、开关等电气设备的绝缘产生不利影响，影响其使用寿命，增大能耗。
[0019]目前现有技术在各种功率调整方案中，所有电弧炉均采用控制电极的升降调整输入功率的传统冶炼工艺。目前急需一种能不升降电极就达到炉内调压、稳流，响应时间快，易于自动控制，节能降耗的新技术。
[0020]现阶段，交流调压器调压时通过开通几个周波再关断几个周波或在周波内断开一部分至几部分正弦波的区段，输出电压波形是断续的正弦波，调压是通过改变通断比来实现的。由此产生电压零点区间长，过零点次数多，电压电流时断时续，造成谐波大、电压波动大，不连续电流造成断弧起弧次数过多，功率输入时断时续。由于交流调压器调压时产生电压零点区间长造成谐波大、闪变过大、不连续燃弧、断弧起弧次数过多。电弧稳定性差影响电炉的产量和质量，易使变压器和电机绕组产生内部过电压，对变压器、开关、电机等电气设备的绝缘产生不利影响，影响其使用寿命，增大能耗，造成电阻炉等相关设备输入功率不均衡，特别是造成电压零点区间长，过零点次数多，电压电流时断时续，断弧起弧次数过多的重大问题。
[0021]综上所述，目前现有技术在各种功率调整方案中，所有电弧炉均采用控制电极的升降调整输入功率的传统冶炼工艺。目前急需一种能不升降电极就达到炉内调压、稳流，响应时间快，易于自动控制，节能降耗的新技术。而在需调温的电阻炉等相关冶炼系统中缺少电压电流连续，波形连续且接近正弦波的技术。
[0022]本发明人据此发明了交流电弧炉新型稳恒流调功率(电极免升降)节能系统的新技术。
【发明内容】
[0023]本发明的目的是解决电弧炉、埋弧炉等各种冶炼电炉通过电极的升降装置上下调节，控制电炉输入功率，稳(恒)电弧电流时，造成电弧弧阻偏大，能耗偏大的问题。
[0024]本发明又一目的是自动或手动控制电力电子元件保持电炉内合适的电弧电流并且使之稳定，而不用电极升降稳(恒)流调功率，以保证电极与料(液)面的最小安全距离，以减少弧阻。
[0025]本发明又一目的是把交流调压器当作电炉变压器高速响应、无触点化变压器分接开关使用，大大减少电炉变压器的维护量，使免维护电炉变压器的生产成为可能并让电炉冶炼工艺高速响应的数字化控制成为可能。
[0026]本发明又一目的是解决电弧炉、埋弧炉等各种冶炼电炉控制电极液压系统对电弧电流细调时，自动控制响应速度慢造成调节跟不上电弧的跳跃式变化补偿不及时、精度低、结构复杂、成本高、电弧稳定性差影响电炉的产量和质量的问题。
[0027]本发明又一目的是通过对晶闸管等电力电子控制元件进行调压稳流、控制输入功率和投切功能的控制，利用其响应速度快的特点，易于实现对电弧炉、埋弧炉等各种冶炼电炉冶炼系统自动(计算机)控制的目标。
[0028]本发明又一目的是解决交流调压器调压时产生电压零点区间长造成谐波、闪变过大、不连续燃弧、断弧起弧次数过多的问题。解决电压电流时断时续，波形是断续的正弦波的技术。
[0029]本发明又一目的是解决系统在突发情况下需要瞬间断电和瞬间恢复供电的问题。
[0030]本发明又一目的是电极端突发短路时，利用电力电子元件响应速度快的特点，抑制电压波动与闪变的问题。
[0031]所述交流电弧炉新型稳恒流调功率(电极免升降)节能系统由交流调压器、串变调压(电炉)变压器、交流电弧炉(或其他电炉系统)、自动控制系统组成。达到电炉冶炼实现自动控制、节能、抑制电压波动与闪变的目的。
[0032]所述本发明专利技术特征是在一个连续正弦波上迭加一个由交流调压器调压的通断的正弦波进行电压连续调节的(电压高低由通断比决定)，合成波形比较接近正弦波，迭加的间断正弦波可正可负。调压范围可在0-100%之间。输出电压波形连续类似正弦波、任意周波内均由电压陡升陡降的连续正弦波段组成，象正弦波一样有电压过零点，无电压过零点区间。
[0033]所述本发明专利技术交流电弧炉新型稳恒流调功率(电极免升降)节能系统的特征为由原来各种冶炼电炉通过电极的升降装置上下调节或和电炉变压器开关调节共同控制电炉输入功率稳(恒)电弧电流，改为由交流调压器单独或与电炉变压器开关调节共同控制电炉内的电弧电流和功率。电极控制系统只需控制电极与料(液)面保持一定的弧长，保证电极与料(液)面的最小安全距离，电极已不具有稳流、调弧压功能。
[0034]本发明专利技术是在一个连续正弦波上迭加一个由交流调压器调压的间断正弦波进行电压连续调节的，合成波形比较接近正弦波，达到波形对设备的影响降到最低。解决了原来交流调压器调压是通过开通几个周波再关断几个周波或在周波内断开一部分至几部分正弦波的区段的原理形成，输出电压波形是断续的正弦波，调压是通过改变通断比来实现的。产生电压在零点区间长，过零点次数多，电压电流时断时续，造成谐波、电压波动大，不连续电流造成断弧起弧次数过多，功率输入时断时续的问题。
[0035]所述交流调压器是指把两个晶闸管或其他电力电子元件反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管或其他电力电子元件的控制就可以控制交流输出。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。由其组成的单三相电路即交流调压器。也就是由晶闸管等电力电子元件构成的把一种交流电变成另一种同步率不同电压交流电的控制装置。交流调压器按其所调控的相数不同可分为单相交流调压器及三相交流调压器。交流调压器控制方式主要为在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制可以方便地调节输出电压的有效值，或控制晶闸管的时刻都是在电源电压过零的时刻，也可以在每个交流电源周期都通过触发延迟角α对输出电压波形进行控制，在突发情况下也可能以采用通断控制的交流电力控制电路，即当做交流调功电路和交流无触点开关使用。
[0036]在任意形式的变压器电源(采用交流调压电路串接在变压器的一次侧或变压器的二次侧)中。采用交流调压电路调节变压器一次电压，在这些电源中如果采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控电源可以很多晶闸管串联。也可以用交流调压电路调节变压器二次电压，低电压大电流电源可以很多晶闸管并联。此时电压和电流是非连续性的，波形是断续的。
[0037]本发明专利主要采用交流调压电路串接在串变调压变压器三次侧，交流调压电路其电压、电流值都比较适中，这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。特别是串变调压变压器主变低压恒电压，波形是标准的正弦波，交流调压器调整三次侧电压(或调整串变调压变压器的串变低压)，串变低压输出电压波形是断续的正弦波，调压是通过改变通断比来实现的，总输出电压是两电压迭加关系，总输出电压波形是在一个标准正弦波上迭加一个断续的正弦波。则过零点波形与普通电炉变电压过零点相同，解决了交流调压器对非串变调压变压器相控时有电压断点引起电压波动的问题。因电压调节的是串变调压变压器三次侦牝所以整周波通断，相位控制，斩波控制均可能采用。此时需注意主串变相位相同。
[0038]所述串变调压(电炉)变压器的特征为串变调压变压器，即由两台变压器组成，一台为主变压器(简称主变)，一台为串联变压器(简称串变)，两台变压器(无论需要或不需要利用设置在主变压器上的单独调压绕组给另一台变压器高压供电)的低压绕组串联在一起，主变低压绕组电压恒定，串变低压绕组电压变化，致使串联在一起的两低压绕组电压发生改变，从而改变主、串 变低压绕组的合成电压。
[0039]所述电炉变压器凡在低压端连接成串变调压变压器的调压原理形式，无论由几台变压器在低压侧串联也属于本专利定义的串变调压变压器形式。
[0040]所述串变调压变压器主变和串变两低压线圈可以设计为首尾相连直接串联成一相的串接结构(非8字型线圈结构)。
[0041]所述串变调压变压器两低压线圈可以设计为8字型线圈结构。此方案结构简单，紧凑，占地面积小。
[0042]所述串变调压变压器的特征为两同相低压绕组串联后形成一相，当需三相时，主串联变压器两低压绕组可设计成任意联结组别。
[0043]所述电炉变压器的特征还可以是其他变压器形式，如单器身变压器、前置自耦调压变压器的变压器等也可产生相同功能，但与串变调压变压器相比电压电流连续性差，电压电流波形有中断区间。
[0044]所述交流电弧炉及其他电炉系统等负荷的特征与现行构造、原理相同，无需大的改变。
[0045]所述自动控制系统的特征为改控制电弧炉电极为交流调压器。
[0046]所述串变调压变压器低压电压输出表达式:U=U1±U2
式中:
U-串变调压变压器低压输出电压(V)；
U1-串变调压变压器主变压器低压电压(V)；U2-串变调压变压器串变变压器低压电压(V)。
[0047]所述交流电弧炉新型稳恒流调功率(电极免升降)节能系统在阻感性负载中晶闸管导通角不但与控制角有关，而且与负载的阻抗角有关，同时还要考接线方式的特点，因此定量分析比较困难，可采用监测调整的方法。下面只给出估算输出电压公式:
【权利要求】
1.本发明涉及一种在电弧炉、埋弧炉、电阻炉、真空炉、电热炉等电压要求连续变化或电流要求连续变化或两者兼有的阻性、阻感性交流系统中应用的新技术；本发明原理是在一个恒定电压的正弦波上迭加另一个(或数个)由交流调压器进行电压调节的波形有间断的正弦波或几个脉冲段即在一个固定电压上迭加一个(或数个)可变的电压，合成电压是连续的、可调的、波形接近正弦波、调压范围可在0-100%之间无级调节的新技术；其包括交流调压器、串变调压变压器、交流电弧炉(及其他阻性、阻感性交流系统)、自动控制系统组成；可达到电弧(埋弧)炉冶炼稳恒流时用本技术代替用电极升降稳恒流、调弧压的目的，其他电炉冶炼时可以平滑、无级调压的目的。
2.由权利I所述的串变调压变压器的特征为由两台变压器组成，一台为主变压器(简称主变)，一台为串联变压器(简称串变)，两台变压器(无论需要或不需要利用设置在主变压器上的单独调压绕组给另一台变压器高压供电)的低压绕组串联在一起，主变低压绕组电压恒定，串变低压绕组电压变化，致使串联在一起的两低压绕组电压发生改变，从而改变主、串变低压绕组的合成电压；串变调压变压器，其调压原理特征为凡在低压端连接成串变调压变压器的调压原理形式，无论由几台变压器在低压侧串联也属于本专利定义的串变调压变压器形式。
3.由权利2所述串变调压变压器的特征为两同相低压绕组串联后形成一相低压绕组(可以采用或不采用8字型线圈结构)，当需三相时，主串联变压器低压绕组可设计成任意联结组别。
4.由权利2所述串变调压变压器的特征为两低压线圈可以首尾相连直接串联成一相的串接结构(非8字型线圈结构)。
5.由权利I所述交流调压器的特征为主要采用交流调压电路串接在串变调压变压器三次侧，也可以采用交流调压电路串接在变压器的一次侧或变压器的二次侧代替。
6.由权利I所述交流电弧炉(或其他电炉系统)的特征为交流电弧炉及其他电炉系统的特征与现行构造、原理相同，无需大的改变。
7.由权利I所述自动控制系统的特征为在电炉冶炼系统中应用时，改控制电炉电极为交流调压器。
【文档编号】F27B3/28GK103759528SQ201310727519
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】孙崇山 申请人:孙崇山