专利名称：抗无功负载波动的稳定交流电网法及无功功率补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种抗具有可变电抗负载的至少有一个电负载的无功功率波动的稳定供电设备或交流电网的方法；以及涉及一种无功功率补偿装置。
本发明涉及的技术现状，正如欧洲专利EP0707369A1所描述的。在那儿公布了交流电网对无功负载波动的稳定方法以及一种无功功率的补偿装置，在该补偿装置中利用始终存在的扼流圈作补偿电抗，整流器经过这个扼流圈供电给电弧炉。此整流器由电流调整器调整，后者的输入端和/或输出端与无功功率调节器输出端保持有效连接。在电弧炉运行时无功功率出现强烈的与过程有关的波动，在供电的交流电网里引起频率范围在2Hz-20Hz的可见的闪光现象。其强度与交流电网的短路功率和连接的负载有关。
从欧洲专利EP0639880A2获悉一种交流电网对无功负载波动的稳定方法以及一种无功功率的补偿装置，在那里无功负载经过一特殊的晶闸管控制的扼流圈与设备(电弧炉和滤波器)总电流有关进行调整。为了无功功率调整这种装置需要附加昂贵的结构部件。
在欧洲专利EP0498239A1中描述了一种直流电弧炉电极调整方法和设备，在那里如本发明一样电流调整器的输出信号经过带通滤波器输送到电极调整器输入端上的加法器。这时电极调整器-控制量信号对不同功率因素可以通过与额定电流强度有关的函数变换器预先给出。与电压变化无关的电弧长度调整如下所要求的电流由整流器上预置的控制来达到，所以总是有足够的调整范围可供支配。没有给出无功功率调整。
本发明解决的任务是对本文一开始所述类型的抗无功负载波动的稳定交流电网的方法以及无功功率补偿装置作进一步改进，使得弱交流电网上电负载以及电弧炉的运行是可能的。
本发明还给出若干有益的优选结构。
本发明的优点在于减小了无功功率波动值。
当多台电弧炉在同一条中等电压汇流排上运行时，结果表明与接通的功率相比，造成的闪光现象要少于在单独一台电弧炉具有相同的功率的情形。在具有多个电极的直流电弧炉中有效地利用了这个效应，这时每一供电支路总是同时运行。至少有一个电极支路以传统的方式，例如通过保持一个工作点，进行调整，而至少有另一个电极支路用来作快速无功功率调整。而置于其上的调整电路用于保持熔料在熔炼时的工作点。因此，可供支配电极与其整流支路起的作用可以随时更换。
本发明依靠实施例详细描述如下
图1给出具有两个电极的直流电弧炉，每个电极各带一电流调整器、一电极控制器和一个共同的无功功率调整器。
图2给出在几种功率因数情况下，电极控制器的控制量信号与电流额定值关系的特性曲线图。
图3给出用于决定直流电弧炉的额定无功功率和用于整流器的额定着火角与额定有效功率和直流电弧炉额定电流强度关系的特性曲线图或者用于决定额定电流强度与无功功率和着火角关系的特性曲线。
在图中同一元件用同一符号表示。为简单起见，物理值以及归入物理值的信号同样表示。
图1给出二组主要结构相同的元件组或者电极支路(S1，S2)，直流电弧炉的二电极或者阴极(7，7’)归属于它们。二电极支路(S1，S2)的物理量通过标记1或2区分，而电极支路(S1)的元件通过不带撇号’的有关符号或电极支路(S2)的元件通过带撇号’的有关符号加以区分。为了避免重复，下面主要只说明电极支路(S1)。
具有多个转换级的电炉变压器(2)的一端接到具有交流电压22KV的三相交流电网(1)上，而另一端接到换流器或叫整流器(5)的交流电压输入端上。整流器(5)的直流电压端经过扼流圈(6)与直流电弧炉(8)的一个第一熔化电极或叫阴极(7)相连接。一个置于电弧炉(8)炉底区的反电极或叫阳极(12)与整流器(5)的正极相连(图1中未画出)。在阴极(7)的下端和熔料或叫熔池(11)的表面之间引燃电弧(10)。(d)表示阴极(7)和熔池(11)表面之间的距离。
借助于到整流器(5)的交流馈电线中的电流互感器(3)检测电流实际值信号(i1ist)，并把它传输到求和放大器(13)的取反输入端上。一可预先给定的电流额定值信号(isoll)例如从没有画出的电位器输送给具有因子0.5的这种加法器(13)的未取反的因子输入端。加法器(13)的输出端与具有比例-积分特性的电流调整器(14)相连接，加法器提供加法信号0.5·isoll-i1ist给予电流调整器。电流调整器(14)的输出端提供一与着火角相应的整流器调节系数信号(α1ist)到着火脉冲电流互感器(15)，后者的输出端去控制整流器(5)。
整流器调节系数信号(α1ist)经一衰减器或带通滤波器(16)，用于信号匹配、极限值监控和滤掉不希望的频率，与加法器(17)的取反输入端相连，加法器未取反输入端接入由函数发生器(25)预先给定的电极调节器指令参数信号(α1soll)，相应于着火角10°-65°范围内，优先在25°-35°范围内。加法器(17)输出端与具有比例特性的电极调整器(18)相连，电极调整器输出端经过一阀门控制放大器(19)对电极调整装置(21)的阀门(20)起作用。电极调整装置(21)，例如带有调整机构和电极速度调节器的液压泵，在机械上与阴极(7)相连，实现其高度调整。它起着1级延迟网络的作用。
电极调整工作约比电流调整工作慢十倍。阴极(7)的高度调整是这样进行的，整流器(5)平均以例如25° el.的调节工作，与电炉变压器(2)的次级电压以及与调整的电流额定值(i1soll)无关。
带通滤波器。(16)要滤掉的频率包括频率范围从0.5赫兹到20赫兹。
人们借助在整流器(5)上调整到恒定的调节以达到在馈电的交流电网(1)内恒定的平均功率因数。通过选择电炉变压器(2)的电压级别和预先规定直流电流强度可以极简地确定工作点的功率。
当人们打算通过改变电炉变压器(2)的电压级别移动工作点或改变功率时，则要相应地预先给出电流额定值(i1soll)。在降低电流但总还是在整流器(5)上相同的调节情况下，人们得到的功率可能较小。由于在交流电网(1)内较低的电压损耗，电弧(10)则变得较长。但是熔炼过程，在较小功率情况下，也要求较短的电弧(10)。为了达到这一点，人们在改变电流额定值(i1soll)的情况下，同时也对整流器(5)的调节预先规定相应的新额定值。为此目的，提供一函数发生器(9)，如图1虚线条所示，代替整流器-调节参数信号(α1ist)该发生器依据与电流额定值(isoll)的关系预先规定电极调整器-控制量信号(αsoll)。据此增大功率范围也是可能的。
图2给出藉助于函数发生器(9)实现的函数，相应于曲线(K1-K6)，这些曲线表示以各种功率因数cosφ(0.75-1.00)作参量以电度表示的电极调整器-控制量信号(αsoll)。与以KA表示的电流额定值(isoll)之间的关系。在纵坐标上附加地以MW标出从交流电网(1)取得的有效功率(P)(兆瓦)。与电极调整器-控制量信号(αsoll)在数字上的一致性纯属偶然。
在图2中示出的实例涉及的是与在直流电流100KA情况下，具有有效功率(P)的60兆瓦，设置的无功功率或补偿功率为30兆乏的装置。该装置是这样设计的，在馈电的交流电网(1)上，具有整流器调节量信号(αist)为35°的整流器调节和100KA的情况下，给出功率因数cosφ＝0.9，它相应于工作点(A)。虚线示出的连线(A-B)给出了对最小整流器调节的限制。同样对cosφ＝0.75和1.0的曲线(K1)和(K6)也可以看作限制。曲线(C)相当于整流器(5)的如下调节，在该调节下根据工作点(A)涉及交流电网(1)的恒定的无功功率；因此它是最高电网无功功率的限界线。函数αsoll＝f(isoll)即应当处于这限制区域内，并优先相应于对cosφ＝0.9的曲线(K3)。
假若我们要保持αsoll＝35°的调节，并把电流从100KA逐渐降低到60KA，则有效功率根据有效功率曲线(P3)从60兆瓦降落到cosφ≈1时的38兆瓦。这相当于最高功率的60％强。
如果预先规定αsoll＝f(isoll)，这时例如根据曲线(K3)所有工作点以cosφ＝0.9运行，因此在50KA情况下我们需要控制角(αsoll)为65°，从而根据有效功率曲线(P2)有效功率(P)达到15兆瓦，由此，还达到最高功率的25％。另一有效功率曲线(P1)适合于cosφ＝0.95恒定的。
图3给出藉助于函数发生器或函数变换器(25)和(25’)实现的函数，图中纵坐标标出有效功率MW(P)，横坐标标出无功功率兆乏(Q)。图的右方向外向上是cosφ从0.2到0.95的数值，在围绕零点的圆形弧截线段上给出以KA为单位的电流值(i)从20KA到120KA，而120KA圆弧截线段上在通向坐标原点方向的一些曲线末端上给出以el.Grad为单位的着火角值从15-75°。例如对于工作点(D)，有效功率(P)总计为93兆瓦，无功功率(Q)为84兆乏，直流电流(i)为110KA，着火角(α)为35°。
当我们通过操作员或未画出的主控制在输入端给予函数发生器(25)预先规定所希望的额定有效功率(Psoll)和所希望的电流额定值(isoll)(参照图1)，那么在函数发生器(25)输出端根据图3提供相应的无功功率额定值(Qsoll)和着火角额定值(α1soll)供支配。无功功率额定值(Qsoll)传送给无功功率调整器(23)，着火角额定值(α1soll)传送给函数发生器(25’)和加法器(17)和(17’)的未取反输入端作为电极支路(S1)和(S2)的电极控制器(18)和(18’)的额定值。
向加法器(22)的未取反输入端输入由图中未画出的无功功率检测器控制的电极支路(S1，S2)的无功功率(Q1，Q2)，而连接到交流电网(1)上的电容器或电容器组(4)的补偿无功功率(Q4)则输给取反输入端。加法器(22)的总和信号接到无功功率调整器(23)的输入端，而其输出端把调节量(QR)提供给加法器(24)的未取反输入端。无功功率值(Q2)接到加法器(24)另一非取反输入端；其输出端与函数发生器(25’)的输入端相连，函数发生器(25’)产生与函数发生器(25)相同的函数系，并且在输出端传送一额定电流值(i2soll)到加法器(13’)的输入端，而在必要时传送到函数发生器(9’)的输入端，函数发生器(9’)产生与函数发生器(9)相同的函数。其输出信号是着火角额定值(αsoll)，它取代着火角额定值(α1soll)，由函数发生器(25)的输出端提供给加法器(17’)的未取反的输入端。
代替额定着火角值(α1soll)，用0.5乘的额定电流值(isoll)经过具有0.5因子输入的加法放大器(26)提供给函数发生器(25’)输入端。然后函数发生器(25’)在输出端提供额定着火角值(α2soll)，这个额定着火角值取代额定着火角值(α1soll)传送到加法器(17’)的未取反的输入端。
为了避免闪光现象，重要的是装置的总无功功率保持不变。在恒定的补偿无功功率(Q4)的情况下，这意味着Q1+Q2的和必须是常量。
在电极支路(S1)根据预先给定的额定直流电压和额定电流值(i1soll)的工作点调整。算出由此产生的无功功率(Q1)。依据所选择的工作点和已知的交流电流网(1)的情况，额定无功功率(Qsoll)经过函数发生器(25)提供，并算出电极支路(S2)的无功功率(Q2)。由已知的装置参量能够计算控制量 额定着火角值α2soll＝α1soll以及阴极(7)和熔池(11)之间的距离(d)，这是为产生所希望的无功功率(Qsoll)所必须的。这时电流额定值(isoll)所希望的工作点被作为第二支撑值考虑。为了减小电极支路(S2)过程的影响，计算出实际的无功功率(Q2)，并把它送回电极控制器(18’)进行校准。这时，电极支路(S2)的电感用来补偿无功功率。
在熔化过程，两阴极(7)和(7’)熔化存在于直流电弧炉(8)内未画出的炉料，这时产生一定的无功功率Q1+Q2。炉料跑到阴极(7)上，因而突然缩短电弧(10)的长度。电流调整维持直流(i1ist)不变，并且相应地改变整流器调整量信号(α1ist)。对于这个时刻，已经能够计算出由此产生的无功功率波动。基于阴极(7’)上当时的工作点能够计算此处必须调整到哪个新工作点，以便产生相反符号的无功功率变化，因而维持无功功率总量不变。
必须认识到直流电弧炉(8)也能以多于两个阴极(7，7’)运行，至少有一电极支路(S1，S2)用于无功功率补偿。
符号表1 交流电网2，2’ 电炉变压器3，3’ 电流互感器4 电容器，电容器组5，5’ 整流器6，6’ 扼流圈7，7’ 电极，阴极8 直流电弧炉，负载9，9’ 函数发生器10，10’ 电弧11熔料，熔池12，12’ 电极，阳极13，26加法放大器14，14’ 电流调整器15，15’ 着火脉冲电流互感器16，16’带通滤波器13’，17，17’，22，24 加法器18，18’电极控制器19，19’阀门放大器20，20’阀门21，21’电极调整装置23 无功功率调整器25，25’ 函数发生器A-D工作点d 电极7或7’到熔料11表面的距离i 直流电流i1ist，i2istS1或S2电流强度的实际电流值isollS1和S2的总额定电流值，额定电流强度i1soll，i2sollS1或S2的额定电流值K1-K6 曲线P 有效功率PsollS1和S2的总额定有效功率P1-P3 有效功率曲线Q 无功功率QR23的调整量QsollS1和S2的总额定无功功率，额定无功功率值Q1，Q2 S1或S2的无功功率Q4 4的补偿无功功率S1，S2 到7或7’的电极支路α 着火角α1ist，α2ist实际着火角值，对5或5’的整流器调整量信号αsoll， 额定着火角值(电度el.Grad)α1soll，α2soll5或5’的额定着火角值(电度el.Grad)，电极调整器-控制量信号cosφ功率因数
权利要求
1.抗具有可变无功负载的至少有一个电负载(8)的无功负载波动的稳定交流电网(1)的方法，其中；a)通过这个负载(8)的电流强度(i1ist，i2ist)，藉助于包含这个负载(8)作调整对象的电流调整电路里的调整器(14，14’)，通过至少一个整流器(5，5’)调整到预先可确定的额定电流值(isoll)，b)这个负载(8)的无功功率(Q1，Q2)，藉助于包含这个负载(8)作调整对象的无功功率调整电路里的无功功率调整器(23)，调整到预先可确定的额定无功功率值(Qsoll)，其特征为c)通过这个负载(8)的电流强度(i1ist，i2ist)，经过包含这个负载(8)作调整对象的至少二个电流调整电路，调整到预先可确定的额定电流值(isoll)，d)至少第一电流调整电路不依赖这负载(8)的无功功率(Q1，Q2)进行调整，以及e)至少第二电流调整电路依赖于这负载(8)的无功功率(Q1，Q2)进行调整。
2.根据权利要求1所述方法，其中负载(8)是直流电弧炉，其特征为直流电弧炉(8)的移动电极(7’)到直流电弧炉(8)的熔池(11)表面的距离(d)依赖于无功功率调整器(23)输出信号进行调整。
3.无功功率补偿装置a)具有可变无功负载的至少一个电负载(8)b)负载(8)经过至少第一整流器(5，5’)与馈电给负载(8)的交流电网(1)有功连接，c)具有一电流调整器(14，14’)，其输出端与至少一个第一整流器(5，5’)保持控制连接，d)具有一无功功率调整器(23)，其输出端与包括整流器(5，5’)的无功功率补偿装置保持控制连接，其特征为e)至少二电流调整对象(分别通过一电流调整器(14，14’)进行调整)包含负载(8)作执行装置。f)至少一个第一电流调整器(14)不与无功功率调整器(23)有功连接，以及g)至少一个第二电流调整器(14’)其输入端与无功功率调整器(23)有功连接。
4.根据权利要求3所述的无功功率补偿装置，其特征为a)负载是具有至少二个移动电极(7，7’)的直流电弧炉(8)，b)对每一移动电极(7，7’)配备一单独的电极调整装置(21)，c)其输入端各与一电极控制器(18、18’)保持控制连接，以及d)至少一个电极控制器(18’)，其输入端与无功功率调整器(23)有功连接。
全文摘要
直流电弧炉中产生的无功负载波动可用无功功率调整器(23)补偿。为了在弱交流电网(1)上电弧炉(8)进行熔炼工作，该炉至少有两熔炼阴极(7，7’)。每一电流调整器(14，14’)与整流器(5，5’)进行控制连接，其中只有第二电流控制器(14’)与无功功率调整器在输入端有功连接。各阴极对熔池(11)的距离经独立电极调整装置(21，21’)及各一电极控制器(18，18’)控制。只有电极控制器(18’)在输入端与无功功率调整器有功连接。因此，无功功率调整只由一个电极支路(S2)实现。
文档编号F27B3/28GK1169050SQ9711272
公开日1997年12月31日 申请日期1997年6月13日 优先权日1996年6月13日
发明者J·奥尔斯彻 申请人:亚瑞亚·勃朗勃威力有限公司