Силова перетворювальна техніка для потужних електротехнологічних установок постійного струму

 Силова перетворювальна техніка для потужних електротехнологічних установок постійного струму Володимир Бобков Олександр Бобков Володимир Копиріна У статті дається короткий огляд силових керованих випрямлячів для різних електротехнічних установок. Силова перетворювальна техніка широко використовується в потужних електротехнологічних установках (ЦЮ) постійного струму. В якості джерел постійного струму застосовуються різні перетворюючі агрегати (ПА) за системою «силовий трансформатор випрямляч» (Т-В). Оскільки ПА, як правило, великої потужності, то число випрямлячів, використовуваних в них, часто більше одного, а перетворювальні силові трансформатори виконуються з розщепленими вторинними обмотками. Вихідні параметри ПА випрямлена напруга (Udпа) і струм (Idпа) вимагають регулювання в певному діапазоні залежно від ЦЮ. Основні енергоємні технологічні процеси, установки постійного струму і відповідні їм електричні параметри наведені в таблицях 1 і 2. Найбільш поширеними навантаженнями постійного струму є електролізери і гальванотехніка. Останнім часом розширюється впровадження дугових печей постійного струму (ДПС). З таблиці 1 видно, що величини випрямлених струмів і напруг змінюються в широких межах. До першої групи ЦЮ відносяться електролізери, що мають монотонно зростаючі ВАХ з протидії ЕРС (див. Рис. 1, лінії 1, 2). Залежність напруги від струму і електричного опору електролізера в загальному вигляді може бути представлена ??наступним виразом: (1) де Uе напруга на послідовного ланцюга (серії) електролізерів, Ее противо ЕРС ланцюга електролізерів, Iе струм через електролізери, Rест статичний опір серії електролізерів, Rедін динамічне опір серії електролізерів. Електролізери, як правило, є стабільною навантаженням з повільно змінюються в незначних межах параметрами. Виняток становлять електролізери алюмінію, в яких періодично виникають так звані анодні ефекти. Під час анодного ефекту опір Rедін і відповідно напруга на одному електролізері збільшується, в залежності від типу електролізераі характеру анодного ефекту, з 4,2 4,5 В до 25 40 В. Менше значення напруги анодного ефекту відноситься до потужних електролізерів з попередньо обпаленими анодами. Друга група навантажень має падаючі вольт-амперні характеристики, коли із зростанням струму напруга на них знижується. До них відносяться дугові печі постійного струму, установки графитизации, установки отримання полікристалічного кремнію (див. Рис. 1, криві 3 квітня). Вольт-амперна характеристика дугової печі постійного струму може бути виражена рівнянням Айртон: (2) де,, і постійні, залежні від матеріалів електродів, складу газу і умов охолодження дуги; l довжина дуги. Отримання полікристалічного кремнію проводиться у вакуумних реакторах шляхом відновлення його з парогазової суміші, основу якої становить трихлорсилану, воднем. Відновлений кремній осідає на встановлених в реакторі стрижнях-заготовках, що розігріваються електричним струмом. У міру осадження кремнію діаметр стрижнів збільшується з 5 7 мм до 120 140 мм, що й обумовлює вид вольт-амперної характеристики. Графитизация вуглецевого речовини це процес упорядкування атомів графіту під впливом високих температур. Процес графітизації електродних заготовок проводиться в електричних печах опору. Розрізняють два види печей опору: непрямого нагріву і прямого нагріву. У печах прямого нагріву струм пропускається безпосередньо по заготівлях, опір яких у міру процесу графітизації зменшується в 3 4 рази, що змушує знижувати напругу і збільшувати струм. Найбільш складною ВАХ володіють електролізери галію, обумовленої істотною нелінійністю. Статична ВАХ електролізера галію описується рівнянням: (3) де КR1, КR2, КR3 емпіричні коефіцієнти, що визначаються конструктивними особливостями і обсягом електролізера. Виходячи з особливостей технологічного процесу можна сформулювати такі вимоги до джерел живлення для ЦЮ: висока надійність; максимально можливий ККД; мінімізація споживання реактивної потужності; електромагнітна сумісність з мережею живлення; можливість автоматичної відпрацювання заданого технологічного параметра (струму, напруги, потужності, кількості електрики та ін.); зручність експлуатації. Вимога надійності диктується необхідністю безперебійного джерела живлення ЦЮ. Надійність ПА визначається надійністю входять до нього комплектуючих виробів, насамперед, перетворювального силового трансформатора і випрямних блоків. Однак відмови в роботі агрегатів часто виникають через ненадійність допоміжного обладнання: вентиляторів, теплообмінників, датчиків і т. Д. Так як надійність входять до преосвітній агрегат комплектуючих виробів має кінцеве значення, безперебійність харчування ЦЮ може бути забезпечена тільки установкою резервних перетворювальних агрегатів (гарячий або холодний резерв). З надійністю перетворювальних агрегатів безпосередньо пов'язані експлуатаційні витрати і чисельність ремонтного персоналу. Вимога максимального ККД обумовлено параметрами ЦЮ, наведеними в таблицях 1 і 2. Воно реалізується раціональним побудовою системи електропостачання, укрупненням одиничної потужності перетворювальних силових трансформаторів і випрямних блоків, раціональним конструюванням силової частини, поєднаної установкою перетворювальних силових трансформаторів і випрямних блоків. Допустима зона коливання технологічних параметрів ЦЮ досить вузька і не може бути витримана при ручному управлінні. Зручність експлуатації припускає оснащення ПА засобами дистанційного оперативного управління та діагностики. Типи перетворювальних агрегатів для електролізу і вживані в них схеми випрямлення наведені в таблиці 3. Для отримання досить стабілізованого струму діапазон плавного регулювання напруги випрямних агрегатів, що живлять серії електролізерів алюмінію, повинен лежати в межах 40 50 В, для інших електролізерів не більше 25 30 В. Збільшення діапазону плавного регулювання напруги призводить тільки до невиправданого додаткового споживання реактивної потужності. Таким чином, необхідний діапазон плавного регулювання напруги ПА для електролізу знаходиться в межах 3 7% від максімальногонапряженія серії електролізерів. Електролізери розплавів (алюмінію, магнію), що розігріваються протікає по ним струмом, вводяться в роботу по одному або невеликими групами. Тому преосвітній агрегат повинен забезпечувати зниження випрямленої напруги до 5 15 В. Це досягається застосуванням силових трансформаторів з регулюванням напруги під навантаженням (РПН) у поєднанні з перемиканням діапазонів РПН без збудження (ПБЗ). У силових трансформаторах з так званим вбудованим регулюванням з РПН на стороні первинної обмотки зниження напруги до необхідного за умовами пуску неможливо, тому потрібно застосування спеціальних пускових схем. Для живлення електролізерів застосовуються в основному діодні або тиристорні перетворювальні агрегати, причому частка останніх у світовій практиці неухильно зростає. Тиристорні агрегати мають ряд переваг: на сьогодні вартість тиристорних випрямних блоків і втрати в них менше, ніж сумарна вартість діодних випрямних з дроселями насичення і втрати в них; в силових трансформаторах тиристорних агрегатів досить мати 5 липня ступенів РПН в робочій зоні для обмеження діапазону плавного регулювання напруги з метою зниження споживання реактивної потужності; пускові режими електролізерів алюмінію і магнію можуть бути забезпечені шляхом фазового управління тиристорами. Досвід експлуатації тиристорних агрегатів на Волховському і Богословському алюмінієвих заводах, Норильському нікелі, Южуранікеле, а також дугових печах, де умови експлуатації значно жорсткіші, показав, що надійність тиристорних агрегатів цілком достатня для застосування їх для живлення електролізерів. Сучасні цифрові системи імпульснофазового управління тиристорами забезпечують, на відміну від ДН, рівність кутів управління різних фаз, що виключає появу неканонічних гармонік при підвищенні еквівалентної пульсності режиму випрямлення перетворювальної підстанції. Наявність тиристорів дозволяє обмежувати аварійні струми зрушенням або зняттям імпульсів управління, що особливо важливо при паралельній роботі агрегатів на одне навантаження. Посилання на недостатній технічний рівень експлуатаційного персоналу, що обслуговує перетворювальні агрегати, неспроможні, так як в даний час значну частку рядових працівників ППТ складають випускники вузів. Тиристорні агрегати дозволяють реалізувати в процесі електролізу токограмма складної форми. Їх застосування зменшує рівень концентраційної поляризації, призводить до депассіваціі електродів і зниженню електричного опору електролізерів, перешкоджає утворенню дендритів. В результаті знижується питома витрата електричної енергії; збільшується вихід по струму; поліпшуються фізичні властивості катодного осаду; підвищується чистота катодного осаду і ступінь вилучення хімічних елементів з розчинів; інтенсифікується технологічний процес. Параметричні джерела струму (ПІТ) стабілізують випрямлений струм із збереженням значення коефіцієнта потужності, близького до одиниці. Промислове впровадження ПІТ здійснено на досвідчених серіях електролізерів алюмінію. Перспективним для перетворювальних підстанцій електролізних виробництв є клас компенсованих випрямлячів з фільтрацією в комутуючі конденсатори нечетнократних гармонік перетворювальних блоків. При всьому розмаїтті засобів компенсації реактивної потужності, поліпшення спектрів струмів і напруг ППТ ефективним є застосування ПА з ускладненими законами регулювання випрямленої напруги. До них відносяться многомостовие несиметричні перетворювальні агрегати з чергуванням керованих і некерованих анодних і катодних випрямних груп, а також агрегати зі змінною структурою силової частини. Ефективним засобом поліпшення енергетичних характеристик перетворювальних агрегатовдля ЦЮ є фазоступенчатий спосіб регулювання випрямленої напруги. Структурна схема найбільш поширеного діодного ПА з дроселями насичення і РПН наведена на рис. 2. Перетворювальний силовий трансформатор Т1 підключений до мережі 10 до В допомогою ввідного автоматичного вимикача QF1 і роз'єднувача QS5. Дві частини вторинної обмотки силового трансформатора Т1 з'єднані в «трикутник», а дві в «зірку». До вторинної обмотці підключені дроселі насичення L1 L4 і чотири випрямних блоку БВ1 БВ4, які підключені до шин навантаження через роз'єднувачі QS1 QS4. Управління та захист агрегату проводиться пристроєм управління УУ. Трансформатори струму в обмотках силового трансформатора і шунти RS1 RS4 використовуються для вимірювання змінних і постійних струмів у відповідних ланцюгах. Для навантажень з падаючої вольт-амперної характеристикою доцільно застосування агрегатів зі змінною структурою силової частини. Розглянемо принципи побудови таких агрегатів на прикладі джерела живлення установки отримання полікристалічного кремнію, що є вихідним матеріалом для виробництва напівпровідників. Стрижні-заготовки, на які проводиться осадження кремнію з газової фази, розбиті на три групи, кожна з яких живиться від окремої фази напруги. Схема силової частини однієї фази джерела живлення наведена на рис. 3. Вона містить силовий трансформатор Т1 з первинною обмоткою Н1, К1 і чотирма однаковими частинами вторинної обмотки, до кожної з яких підключені тиристорні випрямлячі VZ1 ... VZ4. Однойменні висновки випрямлячів з'єднані паралельно і підключені до навантаження R1. Частини вторинних обмоток включені послідовно через ключі КМ1 ... КМ3. При замкнутих ключах КМ1 ... КМ3 напруги вторинних обмоток складаються. У роботі залишається пара тиристорів, підключених до висновків Н1 і к4. Напруга на навантаженні максимально, а допустимий струм в такому режимі становить 0,25 Imax. При розмиканні ключа КМ2 вступають в роботу тиристори, підключені до висновків вторинної обмотки к2 і Н3. Струм навантаження подвоюється, а напруга зменшується в два рази. При розмиканні всіх ключів КМ1 ... КМ3 випрямлячі VZ1 ... VZ4 оказиваютсявключеннимі паралельно. Струм навантаження при цьому максимальний, а напруга знижується до 0,25 Umaх. На практиці ключі КМ1 ... КМ3 виконуються безконтактними на зустрічно-паралельних тиристорах. У такому випадку представляється можливим реалізувати фазоступенчатое регулювання випрямленої напруги. На таких же принципах будуються перетворювальні агрегати для печей графитизации і дугових печей постійного струму, проте їх схемна реалізація відрізняється від наведеної вище (див. Табл. 3). Кількість частин вторинних обмоток силового трансформатора і підключених до них випрямлячів визначається заданою вольт-амперної характеристикою технологічного агрегату. Перетворювальні підстанції постійного струму (ППТ) є потужними споживачами реактивної потужності і генераторами вищих гармонік в мережу живлення. Реактивна потужність обумовлює додаткові втрати в елементах електричного кола і збільшення габаритної потужності силових трансформаторів. Забезпечення електромагнітної сумісності ППТ відповідно до вимог нормативних документів найважливіше завдання при проектуванні та експлуатації перетворювальних підстанцій. Основними технічними засобами компенсації реактивної потужності, поліпшення спектрів струмів і напруг ППТ є пасивні фільтрокомплектующіе пристрої поєднанні в збільшенням еквівалентної пульсності режиму випрямлення перетворювальних підстанцій. При цьому актуальним є підвищення енергетичних характеристик перетворювальних агрегатів. Література Довідник електроенергетика підприємств кольорової металургії / Под ред. М. Я. Басалигіна, В. С. Копиріна. М .: Металургія. 1991. Марков В. Ю., Бобков В. А. Перетворювальна техніка, що поставляється Російської електротехнічної компанією для алюмінієвих заводів // Карта енергетика. 1999. №9Маліновскій В. С., Ярних Л. В. Дугові печі постійного струму нового покоління // Металургія машіностроенія.2001. №1Промишленная енергетика. 2003. №3Електріческіе промислові печі: Дугові печі і установки спеціального нагріву / Под ред. А. Д. Свенчанський. 2-е вид., Перераб. і доп. М .: Енергоіздат. 1981. Бобков А. В., Копиріна В. С. Математична модель і схема заміщення електролізера галію / Промислова енергетика. 2003. №3Бобков А. В., Бобков В. А., Копиріна В. С. Керований випрямляч з фазоступенчатим регулюванням випрямленої напруги для живлення електролізерів // Карта енергетика. 2001. №6Пат. 2106712 (РФ). Дросель насичення. В. А. Бобков, О. А. Неуймін. Опубл. в Б. І. 1998. №7Пат. 2189688 (РФ). Багатофазних керований випрямляч. А. В. Бобков, В. С. Копиріна. Опубл. в Б. І. 2002. №26