Преобразователь переменного напряжения в переменное со ступенчатым регулированием

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым под нагрузкой источникам питания электропечных установок с дуговыми сталеплавильными печами. Преобразователь переменного напряжения в переменное со ступенчатым регулированием напряжения содержит первый согласующий трансформатор 1 с регулировочной обмоткой 2, второй согласующий трансформатор 3, первичная обмотка которого выполнена в виде двух ветвей 4,5, а вторичная обмотка подключена к потребителю 6, каждый из одноименных выводов ветвей 4,5 через соответствующую коммутирующую систему 7,8 соединяется с одним из выводов регулировочной обмотки 3. Коммутирующие системы 7,8 имеют выходные контакты 9,10 и входные контакты, выполненные с возможностью коммутации с промежуточными выводами 11-14. При подключении выходных контактов 9,10 коммутирующих систем 7,8 к одному из выводов первого согласующего трансформатора 1 ток нагрузки проходит по обеим параллельно подключенным ветвям 4,5 в одном направлении. При переводе коммутирующей системы с одного промежуточного вывода на другой м при длительной работе, когда комутирующие системы подключены к разным выводам первого согласующего трансформатора 1 создается необходимое сопротивление для ограничения циркулирующего тока. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и энергетике, в частности к электротермическому оборудованию со ступенчатым регулированием напряжения питания, подводимого к электропечным установкам, когда по условиям технологического режима не допускается перерыва в электроснабжении.

Известны для ступенчатого регулирования напряжения питания электропечных установок без их отключения электропечные трансформаторы, в которых регулирование осуществляется путем изменения числа витков первичной обмотки с использованием грубой и тонкой ступеней регулирования, реверсивной регулировочной обмотки. Такие схемы регулирования практически реализуемы только при напряжениях не выше 10.35 кВ и глубине регулирования до двух раз. Для обеспечения большей глубины регулирования по напряжению до 5 раз, что связано с эксплуатационными режимами работы, например, дуговых сталеплавильных печей (ДСП) большой емкости, требуется значительное увеличение массогабаритных показателей и усложнение конструкции трансформатора, так как это связано с многократным увеличением числа витков первичной обмотки. Поэтому для потребителей энергии, работа которых сопровождается частыми и глубокими переключениями, эти схемы не могут быть использованы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является преобразователь переменного напряжения в переменное со ступенчатым регулированием, используемый в качестве источника питания, выполненный по схеме косвенного регулирования, т. е. использования двух согласующих трансформаторов, образующих электропечной агрегат. Такие преобразователи используют при напряжениях более 35 кВ. Указанный преобразователь содержит первый согласующий трансформатор (автотрансформатор) с регулировочной обмоткой (РО), имеющей промежуточные выводы ступеней регулирования. Промежуточные выводы РО посредством двух коммутирующих систем и токоограничивающего реактора связаны с первичной обмоткой второго согласующего трансформатора. Каждая коммутирующая система содержит подвижный контакт избирателя для выбора обесточенными подвижными контактами выводов РО и контактор для отключения тока в цепи избирателя при переходе подвижных контактов с одного вывода РО на другой. Выходными контактами коммутирующие системы соединены с токоограничивающим реактором (ТР), средний вывод которого подключен к первичной обмотке второго согласующего трансформатора. ТР ограничивает ток в переключаемой части обмотки при переводе нагрузки с одного промежуточного вывода на другой, а также при длительной работе, когда избиратели подключены к разным промежуточным выводам. Пpи этом величина циркулирующего тока определяется напряжением ступени и индуктивным сопротивлением реактора.

Недостатком данного устройства является его сложность из-за использования специального токоограничивающего реактора, имеющего значительные массогабаритные показатели. Существенное уменьшение массогабаритных показателей ТР возможно только за счет уменьшения шага регулирования, что связано с увеличением числа промежуточных выводов, контактов избирателя, преждевременным их износом при большой глубине регулирования.

Это устройство практически реализуемо при величине ступеней регулирования 5.10% так как при увеличении значения ступени регулирования необходимо увеличение сопротивления токоограничивающего реактора, что увеличивает габариты реактора и повышает его стоимость.

Специфика работы некоторых видов электропечного оборудования требует от питающих их устройств ступеней регулирования 25% и глубины до 5 раз. Например, при проведении одной плавки в ДСП требуется переключение напряжения со 100% номинального в режиме расплавления до 30.20% в режиме рафинирования. В течение суток работы ДСП производят переключение до 40.50 раз с максимальной глубиной 2.5 раз. Габариты токоограничивающего реактора пропорционально зависят от величины напряжения ступени, и при ее значении 5% от номинального напряжения установленная мощность реактора составляет примерно 5% от мощности согласующего трансформатора. При увеличении ступени до 25% от номинального напряжения установленная мощность реактора возрастает до 25% что увеличивает размеры электропечного агрегата в целом и его стоимость.

Если глубину регулирования до 5 обеспечивать величиной напряжения ступени 5% от номинального, то это приводит, кроме наличия токоограничивающего реактора, еще и к значительному увеличению контактирующей системы. В условиях жестких режимов работы электропечных агрегатов это резко уменьшает надежность источника ступенчатого регулирования.

Целью изобретения является упрощение и уменьшение массогабаритных показателей преобразователя переменного напряжения в переменное со ступенчатым регулированием.

Это достигается тем, что преобразователе переменного напряжения в переменное со ступенчатым регулированием, содержащем два согласующих трансформатора, первый из которых содержит регулировочную обмотку, выполненную с промежуточными выводами, две коммутирующие системы, входные контакты которых выполнены с возможностью переключения выводов регулировочной обмотки первого согласующего трансформатора, первичная обмотка второго согласующего трансформатора выполнена в виде двух ветвей, одноименный вывод каждой из которых соединен с выходным контактом соответствующей коммутирующей системы, при этом другие одноименные выводы ветвей объединены и соединены со свободным выводом регулировочной обмотки.

На фиг. 1 приведена схема преобразователя, когда коммутирующие системы подключены к разным промежуточным выводам регулировочной обмотки; на фиг. 2 то же, коммутирующие системы выполнены с одним контактором и одним избирателем и показаны в положении подключения к одному промежуточному выводу РО; на фиг. 3 то же, коммутирующие системы выполнены на контакторах и показаны в положении подключения к одному промежуточному выводу РО.

Преобразователь со ступенчатым регулированием напряжения содержит первый согласующий трансформатор 1 с регулировочной обмоткой 2; второй согласующий трансформатор 3, первичная обмотка которого выполнена в виде двух ветвей 4, 5, а вторичная обмотка подключена к потребителю 6. Каждый одноименный конец ветвей 4, 5 через соответствующую коммутирующую систему 7, 8 соединяется с одним из промежуточных выводов регулировочной обмотки 2. Других два конца ветвей 4, 5 соединены с крайним свободным выводом обмотки 2. Коммутирующие системы 7, 8 имеют выходные контакты 9, 10 и входные контакты, выполненные с возможностью коммутации с промежуточными выводами 11 14. Каждая коммутирующая система 7 (8) может быть выполнена из последовательно соединенных контактора 15 (16) и входных подвижных контактов избирателя 17 (18), подключаемых к выводам 11 14 регулировочной обмотки 2. Избиратели 17, 18 предназначены для выбора обесточенными подвижными контактами промежуточных выводов обмотки 2, а контакторы 15, 16 для отключения тока в цепи избирателей 17, 18 при переходе подвижных контактов с одного вывода на другой. Другой вариант выполнения коммутирующих систем 7, 8 предусматривает использование группы контакторов 19 22 и 23 26 для непосредственного подключения одноименных концов ветвей 4, 5 к выводам обмотки 2.

Преобразователь переменного напряжения в переменное работает следующим образом.

Например, в начальном положении оба одноименных конца ветвей обмотки 4, 5 через соответствующую им коммутирующую систему 7, 8 подключены к выводу 12. Ток нагрузки проходит по обеим параллельно подключенным одинаковым ветвям 4, 5 в одном направлении. Для переключения ступени регулирования с 12 на 13 без перерыва в электроснабжении потребителя 6 коммутирующая система, например система 8, размыкает конец ветви 5 с выводом 12 (ток нагрузки в этот момент проходит по ветви 4, обмотке 2, выводу 12 коммутирующей системы 7, выходному контакту 9, ветви 4) и замыкает с выводом 13. В этом промежуточном положении, когда коммутирующие системы 7, 8 подключают одноименные концы ветвей обмотки 4, 5 к разным промежуточным выводам 12, 13 регулировочной обмотки 2, образуется следующий контур тока (см. фиг. 1): 12-9-4-5-10-13-12. Источником напряжения в этом контуре является часть обмотки 2 между выводами 12, 13. Встречно-последовательное включение ветвей 4, 5 в этом контуре создает необходимое сопротивление для циркулирующего тока. Далее коммутирующая система 7 размыкает конец ветви 4 с выводом 12, обрывая тем самым циркулирующий ток, и замыкает с выводом 13. Этим цикл ступенчатого регулирования заканчивается.

При выполнении коммутирующей системы из последовательно соединенных контактора и избирателя ступенчатое регулирование со ступени 12 на ступень 13 осуществляется следующим образом. Например, оба одноименных конца ветвей 4, 5 подключены к выводу 12. Ток нагрузки протекает по обеим параллельно подключенным ветвям 4, 5 в одном направлении. Размыкается контактор 15, ток нагрузки проходит по ветви 5, обмотке 2, выводу 12, избирателю 18, контактору 16, выходному контакту 10, ветви 5. Избиратель 17 в бестоковом положении размыкается с выводом 12 и замыкается на выводе 13, после этого контактор 15 опять замыкается. Образуется для циркулирующего тока ступени следующий контур: 13-17-15-9-4-5-10-16-18-12-13. Источником напряжения в этом контуре является часть обмотки 2 между выводами 12, 13. Встречно-последовательное включение ветвей 4, 5 в этом контуре создает необходимое сопротивление для ограничения циркулирующего тока. В этом положении последний накладывается на ток нагрузки. Далее размыкается контактор 16, обрывая тем самым циркулирующий ток, ток нагрузки проходит по ветви 4, обмотке 2, выводу 13, избирателю 17, контактору 15, выходному контакту 9, ветви 4. Избиратель 18 в бестоковом положении замыкается на вывод 13. Затем контактор 16 замыкается. Этим цикл регулирования заканчивается.

При выполнении коммутирующей системы с использованием группы контакторов, непосредственно подключающих одноименные концы ветвей обмотки к промежуточным выводам первого трансформатора, регулирование со ступени 12 на ступень 13 осуществляется следующим образом. Например, оба одноименных конца ветвей 4, 5 подключены контакторами 20, 24 к выводу 12. Ток нагрузки проходит по обеим параллельно подключенным ветвям 4, 5 в одном направлении. Первым, например, размыкается контактор 20, ток нагрузки проходит по ветви 5, контакту 10, контактору 24, выводу 12, обмотке 2, ветви 5. Замыкается контактор 21, подключающий конец ветви 4 к выводу 13. Образуется для циркулирующего тока ступени следующий контур: 13-21-9-4-5-10-24-12-13. Встречно-последовательное включение ветвей 4, 5 в этом контуре создает необходимое сопротивление для ограничения циркулирующего тока, который накладывается на ток нагрузки. Далее размыкается контактор 24, обрывая циркулирующий ток, ток нагрузки проходит по цепи 4-9-21-13-2-4. Замыкается контактор 25, подключающий конец ветви 5 к выводу 13. Этим цикл регулирования заканчивается.

Технико-экономические преимущества заключаются в значительном упрощении, уменьшении массогабаритных показателей, повышении надежности преобразователя со ступенчатым регулированием напряжения. Особенно эти преимущества значительны при ступенчатом регулировании напряжения в электропечных установках без их отключения, режимы эксплуатации которых крайне жестки, например ДСП.

Отпадает необходимость в специальном токоограничивающем реакторе, появляется возможность при этом выполнить регулировочную обмотку первого согласующего трансформатора или автотрансформатора с большими ступенями напряжения до 25% и обеспечить, например, глубину регулирования 4 четырьмя ступенями на выпускаемых промышленностью аппаратах. Предельное значение ступени определяется напряжением короткого замыкания ветвей обмотки второго трансформатора. В случае специального изготовления аппарата с увеличенными значениями напряжения к.з. можно получить в предлагаемом устройстве ступени 35.40% При этом переключение протекает без чрезмерного увеличения циркулирующего тока, а габариты второго согласующего трансформатора остаются практически такими же, как и у прототипа. При малых ступенях (до 5%) преобразователь может постоянно работать в режиме, когда коммутирующие системы подключены к разным промежуточным выводам РО. К потребителю подается в этом случае напряжение, равное среднему арифметическому от напряжения соответствующих ступеней, и оно является самостоятельной ступенью регулирования. В процессе коммутации и при постоянной работе в этом режиме незначительное увеличение тока в частях обмотки не оказывает заметного влияния на температурный режим преобразователя. Таким образом, повышается надежность и отсутствуют требования к быстродействию устройства. Величина ступени до 5% при таком режиме работы примерно в 2 раза больше, чем у прототипа.

В предлагаемом преобразователе по сравнению с прототипом легче и проще осуществить технологически требуемые бестоковые паузы в потребителе без отключения и включения трансформаторов на полное напряжение. Например, при ступени напряжения 25% и глубине регулирования 4 минимальное напряжение на регулировочной обмотке и напряжение одной ступени равны. В этом случае для получения бестоковой паузы в потребителе напряжение на втором согласующем трансформаторе регулируют до самого низкого значения, которое соответствует выводу 14 первого трансформатора, и затем отключают контакторы 15 и 16 (см. фиг. 2); 22 и 26 (см. фиг. 3). Для подачи напряжения на потребитель включают контакторы 15 и 16, 22 и 26. На второй согласующий трансформатор подается минимальное напряжение. Из-за малого подаваемого напряжения насыщения стали сердечника в переходном процессе не происходит и включение второго согласующего трансформатора не сопровождается толчками тока. Это увеличивает срок службы и надежность преобразователя.

Уменьшение количества ступеней регулирования в преобразователе в связи с получением напряжения на них до 25% от номинального позволяет выполнить коммутирующие системы без избирателей и приводного механизма к ним, только на одних контакторах (см. фиг. 3). Это также упрощает преобразователь, снижает его массогабаритные показатели и повышает надежность.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ СО СТУПЕНЧАТЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ, содержащий два согласующих трансформатора, первый из которых содержит регулировочную обмотку, выполненную с промежуточными выводами, две коммутирующие системы, входные контакты которых выполнены с возможностью переключения выводов регулировочной обмотки первого согласующего трансформатора, отличающийся тем, что, с целью упрощения и уменьшения массогабаритных показателей, первичная обмотка второго согласующего трансформатора выполнена в виде двух ветвей, одноименный вывод каждой из которых соединен с выходным контактом соответствующей коммутирующей системы, при этом другие одноименные выводы ветвей объединены и соединены со свободным выводом регулировочной обмотки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3